环境中的气体会对人类的生产、生活等活动产生很大影响，如当空气中的NO2浓度超过0.1 ppm时，会引起人体严重的呼吸道疾病；当空气中的H2浓度超过4%时，则会极易引起爆炸。发展高性能气体敏感材料、探索传感机理，不仅可以有效保障人类的生命健康，也是氢能与燃料电池等可再生能源技术的重要安全保障。清华大学燃烧能源中心张亮团队与美国韦恩州立大学罗龙团队合作，通过理论计算与实验的紧密结合，在NO2、H2等气体传感方面开展了一系列研究工作，在响应时间、检测极限等多个重要指标上取得了重要突破，相关工作发表在JACS 2020, 142:12207、 Nat. Commun. 2021, 12:1-11、 Adv. Funct. Mater. 2022, 2204169、 Nano Res. 2022。
一、基于CdS量子点气凝胶的NO2传感器（JACS 2020, 142:12207）
本文通过电化学凝胶法设计并一步制备出了新型CdS量子点气凝胶NO2传感器，结果表明该气体传感器室温下对低浓度NO2具有超低检测极限（11 ppb）、快速响应及恢复速度（响应与恢复时间均少于30秒）、超高稳定性（400次连续测试后灵敏度变化仅7%，响应和恢复速度几乎不变）以及可重复制备性（10组传感器变化小于5%）。通过第一性原理计算，本文进一步对CdS量子点气凝胶NO2传感器检测灵敏性和选择性成因在原子尺度层面进行了剖析和讨论。
二、原子级分散的PbCdSe量子点气凝胶NO2传感器（Nat. Commun. 2021, 12:1-11）
在工作一（JACS 2020, 142:12207）的研究中，CdS量子点气凝胶NO2传感器存在灵敏度较低的问题。本文通过将Pb离子单分散在CdSe量子点凝胶表面形成双金属PbCdSe量子点凝胶的策略，在维持较低吸附能的同时显著提高了材料与NO2气体分子之间的电荷转移，从而实现了高灵敏度与短恢复时间的结合。
三、基于Pt晶界的高性能H2传感器（Adv. Funct. Mater. 2022, 2204169）
本文报道了一种简单且可规模化合成富含晶界的贵金属纳米颗粒组件的方法（包含Pt、Pd、Au、Ag和Rh等金属纳米颗粒组件），并借助Pt纳米颗粒组件的超高H2氧化催化活性首次制备出了可以在室温条件下工作的高性能催化型室温H2传感器。结构表征与理论计算表明独特的晶界结构是该Pt纳米颗粒组件具有优异H2传感性能的主要原因。
四、基于Pd/PdO2界面材料的1-s响应H2传感器（Nano Res. 2022）
室温环境条件下实现H2的1-s检测是如今氢安全领域的重点与难点。本文通过三电极电泳沉积法，在工作电极上施加正电位以部分氧化Pd纳米颗粒制备出了Pd/PdOx组装体，该Pd/PdOx氢气传感材料可以在室温环境条件下实现H2的1-s检测。一系列的对比实验及理论计算表明，Pd/PdO2界面是上述氢气传感材料在室温环境条件下实验1-s检测的主要原因。
