氫氣作為一種清潔的可再生燃料備受推崇，但其無色無味且在空氣中濃度超過 41000 ppm 時即具有爆炸性，這使得高可靠性的監測技術變得至關重要。近期發表在《Scientific Reports》上的一項研究介紹了一種新型氫氣傳感器。該傳感器基于銀（Ag）摻雜的氧化鋅（ZnO）納米顆粒構建，不僅制備工藝簡單、成本低廉，更展現出了極高的靈敏度、快速的響應能力以及優異的選擇性。

氣體傳感器設置布局示意圖（MFC：質量流量控制器）

制備工藝與實驗方法

為了打造這款“高響應”傳感器，研究人員采用了快速且可擴展的熱分解法。他們以二水合醋酸鋅和檸檬酸（摩爾比 1:1）為前驅體系統，分別加入 0、2、4、6 和8 mol%的硝酸銀。混合粉末經研磨和 600℃高溫煅燒后，形成了純凈及不同摻雜濃度的ZnO納米顆粒。隨后，這些納米粉末被分散并沉積在帶有金叉指電極的氧化鋁基底上。測試在150至350℃的受控氣室中進行，通過記錄 100 秒氫氣暴露下的實時電流變化來評估性能。

純ZnO納米顆粒、2%Ag摻雜ZnO納米顆粒和8%Ag摻雜ZnO納米顆粒的FESEM圖像以及8%Ag摻雜ZnO納米顆粒的元素映射圖

關鍵性能與增效機制

結構分析證實，銀并未完全取代晶格中的鋅，而是以第二相金屬形式存在，這種結構顯著增加了納米顆粒的孔隙率和表面積，從而極大地促進了氣體吸附。測試結果顯示，2% Ag 摻雜樣品的表現最出色，其響應值高達4357%，約為純ZnO的29倍。雖然8%摻雜樣品的響應速度最快，但綜合響應強度不如前者。

這種性能的提升主要歸功于兩個機制：一是催化溢流效應，即銀促進了氫氣在表面的解離和移動；二是 Ag-ZnO界面形成的肖特基勢壘，在氫氣存在時增強了電子傳輸，進一步放大了靈敏度。

Ag摻雜ZnO傳感器的氣體傳感機制

研究意義

這項研究表明，無需構建昂貴且復雜的復合結構，僅通過控制2%的銀摻雜量，即可顯著提升氧化鋅的傳感能力。其高響應、低檢測限、快速動態響應及良好的重復性，預示著該材料在工業安全系統及未來氫能技術中具有巨大的應用潛力。

資料來源：

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

粉體圈編譯