论文信息
研究背景
二氧化碳(CO2)检测对于监测气候变化、检测空气质量、管理工业过程和保障人类健康是不可或缺的。然而，CO2的化学惰性和稳定性对实际应用中的先进检测技术提出了重大挑战。质量型气体传感器是一种高性能传感器件，其传感器的特性量变化不依赖于敏感材料的电学性质变化，而只与敏感材料的吸附能力相关。金属有机框架(MOFs)具有高孔隙率和表面可调性，而共价有机框架(COFs)则以其优良的化学和热稳定性著称，它们在气体检测、重金属传感和薄膜测量等方面的应用得到了应用。
文章概述
吉林大学张彤团队系统综述探讨了CO2传感器的研究现状及存在的问题和挑战，同时将MOFs和COFs整合到质量型传感器中以提升其性能。针对气体传感器的“4S”特性，即灵敏度、选择性、响应速度和稳定性，提出了不同的改进策略。为未来基于MOFs/COFs的质量型二氧化碳气体传感器的发展提供一些思路和建议。
图文导读
CO2传感器的研究现状及存在的问题
CO2气体化学性质稳定，属于惰性气体，这使得其检测手段受到极大限制，如金属氧化物半导体气体传感器、催化燃烧式气体传感器、光离子化气体传感器等气体传感器均不适用于CO2检测。检测CO2气体的传感器主要有红外光谱型、固体电解质型和电化学型气体传感器等。目前这三类主流的CO2气体传感器各有优缺点，可以应用在不同场景检测CO2的气体浓度，但是不能同时满足低功耗、灵敏度高、选择性强、抗干扰能力强的大气环境中CO2检测的需求。
图1. (a) 光学气体传感原理，(b) 固体电解质传感器的基本工作原理，(c) 电位型气体传感器的传感原理。
质量敏感型CO2气体传感器的优势
质量敏感型CO2传感器是一种其信号与被分析CO2气体的吸附量成正比的装置。当CO2气体在该表面附近传输时发生吸附。传感器的信号可以由其特性的静态弯曲或其声学特性的变化引起。在前一种情况下，该装置被称为微悬臂梁传感器。后一种情况对应于两种类型的传感器：QCM和SAW传感器。这种类型的传感器的特征在于，当敏感材料吸附CO2气体时，传感器特征量的变化仅与吸附的CO2气体的质量有关，而不依赖于敏感材料的电学性能差异。因此，它通常可以在室温下工作。
图2. (a) 声表面波气体传感器工作原理示意图，(b) 悬臂梁气体传感器的工作原理图，(c) QCM气体传感器的工作原理图。
敏感材料MOFs/COFs的设计思路
当开发高性能传感器时，传感层的性质及其与目标分析物和压电基片的耦合是需要考虑的重要因素。良好的传感材料必须能够选择性地、强烈地和快速地与目标气体相互作用，同时保持其随时间的稳定性。气体的选择性检测可能变得具有挑战性，因为传感材料可以与多种气体相互作用（或者许多传感材料也可以与相同的气体相互作用）。然而，通过选择适合特定分析物类型和目标应用的合适材料或其衍生物，是可以对传感器的响应进行调整的。许多已报道的MOFs/COFs在CO2捕集或从气体混合物中分离CO2方面显示出巨大的潜力。
但是MOFs/COFs作为气敏材料，只有对气体的高效捕获能力是不够的，捕获以及富集气体只是敏感材料吸附能力的一种表现，同时还应该具备解吸附能力。气体传感器最核心的“4S”特性，即灵敏度（Sensitivity）、选择性（Selectivity）、响应速度(Speed)和稳定性（Stability）在材料的设计上要同时考虑并且要兼顾彼此。几种策略是可行的，能有效地提高MOFs/COFs材料的CO2传感性能。
图3. MOFs/COFs作为气敏材料的设计策略。
结论
石英晶体微天平是最广泛使用的质量敏感气体传感器，由于其成本低，尺寸小，易于集成。MOFs/COFs由于其极高的表面积，相对较宽的工作温度范围（与实际应用相关）以及结构和化学可调性，具有良好的CO2吸附前景。通过在MOFs/COFs结构中引入开放的金属位点或-NH2 等Lewis碱性位点，提高对CO2的吸附量，从而提高传感器的灵敏度；通过在MOFs/COFs 材料的孔道和表面修饰不同的极性官能团，调控主-客体之间的吸附/脱附作用力，提高传感器的响应/恢复速度；通过调控MOFs/COFs的孔径，使其与CO2的动力学直径相匹配，实现CO2气体传感器的选择性；通过在MOF/COFs有机配体中引入疏水性官能团，提高传感器对湿度的抗干扰能力，提高传感器的长期稳定性。本项目的MOFs/COFs基QCM气体传感材料的开发还可以拓展应用到SAW气体传感器以及微悬臂梁质量型气体传感器，丰富CO2气体传感器的种类，助力国家“双碳”目标的实现。
期刊简介
Advanced Sensor Research致力于报导来自传感器以及探测器研究领域最新、最有影响力的研究成果。期刊发文范围涵盖基础研究以及应用研究， 跨越化学、物理、材料科学、工程、生命科学和医学的任何物理、生物和化学传感器的理论、机械研究、材料、设备设计、制造、系统和技术。
