氢气作为一种清洁的可再生燃料备受推崇，但其无色无味且在空气中浓度超过 41000 ppm 时即具有爆炸性，这使得高可靠性的监测技术变得至关重要。近期发表在《Scientific Reports》上的一项研究介绍了一种新型氢气传感器。该传感器基于银（Ag）掺杂的氧化锌（ZnO）纳米颗粒构建，不仅制备工艺简单、成本低廉，更展现出了极高的灵敏度、快速的响应能力以及优异的选择性。

气体传感器设置布局示意图（MFC：质量流量控制器）

制备工艺与实验方法

为了打造这款“高响应”传感器，研究人员采用了快速且可扩展的热分解法。他们以二水合醋酸锌和柠檬酸（摩尔比 1:1）为前驱体系统，分别加入 0、2、4、6 和8 mol%的硝酸银。混合粉末经研磨和 600℃高温煅烧后，形成了纯净及不同掺杂浓度的ZnO纳米颗粒。随后，这些纳米粉末被分散并沉积在带有金叉指电极的氧化铝基底上。测试在150至350℃的受控气室中进行，通过记录 100 秒氢气暴露下的实时电流变化来评估性能。

纯ZnO纳米颗粒、2%Ag掺杂ZnO纳米颗粒和8%Ag掺杂ZnO纳米颗粒的FESEM图像以及8%Ag掺杂ZnO纳米颗粒的元素映射图

关键性能与增效机制

结构分析证实，银并未完全取代晶格中的锌，而是以第二相金属形式存在，这种结构显著增加了纳米颗粒的孔隙率和表面积，从而极大地促进了气体吸附。测试结果显示，2% Ag 掺杂样品的表现最出色，其响应值高达4357%，约为纯ZnO的29倍。虽然8%掺杂样品的响应速度最快，但综合响应强度不如前者。

这种性能的提升主要归功于两个机制：一是催化溢流效应，即银促进了氢气在表面的解离和移动；二是 Ag-ZnO界面形成的肖特基势垒，在氢气存在时增强了电子传输，进一步放大了灵敏度。

Ag掺杂ZnO传感器的气体传感机制

研究意义

这项研究表明，无需构建昂贵且复杂的复合结构，仅通过控制2%的银掺杂量，即可显著提升氧化锌的传感能力。其高响应、低检测限、快速动态响应及良好的重复性，预示着该材料在工业安全系统及未来氢能技术中具有巨大的应用潜力。

资料来源：

Torkamani, R., Aslibeiki, B., Salari, S., Azizi, H., Peddis, D., & Sarkar, T. (2025). High-performance hydrogen gas sensor based on Ag-incorporated ZnO nanoparticles. Scientific Reports, 15(1), 1-15. DOI: 10.1038/s41598-025-22222-9

粉体圈编译