随着工业化与城市化进程加速，有毒有害气体检测在环境、工业、医疗及食品等领域的需求日益凸显。传统气体传感器多依赖高温工作配资台官网网站，存在能耗高、寿命短、难以适配柔性穿戴设备等问题，开发室温下兼具高灵敏度、高选择性和快速响应的传感材料成为行业迫切需求。
金属氧化物半导体虽广泛应用，却大多依赖高温激活；而高熵氧化物作为新兴材料，凭借“高熵效应”“晶格畸变效应”等特性，在催化与能源领域表现优异，却在气体传感尤其是室温传感方面的研究严重滞后。
三甲胺作为工业原料和疾病、食品腐败的标志气体，其精准检测具有重要意义。然而现有TMA传感材料仍受限于高温工作条件，室温高性能方案稀缺。在此背景下，利用工艺简便、成本可控的静电纺丝技术开发高熵氧化物基传感材料，有望突破室温TMA检测瓶颈，成为推动气体传感技术升级的关键路径。
天津师范大学王双明教授、天津工业大学曹静教授、中国科学院高能物理研究所范龙龙教授团队在《ACS Sensors》期刊发布了Single-Phase Spinel High-Entropy (FeCoNiCrMn)3O4 Synthesized Using Electrospinning Technique and Its Application in the Sensing of Trimethylamine Gas at Room Temperature的最新研究成果。该团队通过静电纺丝技术合成该氧化物并进行碱化处理，成功使其具备优异室温三甲胺气敏性能。这一成果为低功耗高熵氧化物半导体材料在挥发性有机气体传感领域的发展，提供了新思路。
展开剩余88%创新亮点本研究的主要创新点体现在以下几个方面：
1. 首次将高熵氧化物应用于室温TMA气体传感
研究团队成功合成了单相尖晶石结构的高熵氧化物(FeCoNiCrMn)₃O₄，并首次报道其在室温下对TMA气体具有优异的传感性能。这为高熵材料在气体传感领域的应用开辟了新路径。
2. 静电纺丝结合碱化处理的协同改性策略
采用静电纺丝技术制备前驱体纤维，再经高温煅烧得到高熵氧化物纳米颗粒，工艺简单、成本低、易于规模化。后续通过碱化处理进一步调控材料的电学性能和表面化学状态，显著降低了材料在空气中的基线电阻，使其适用于室温气体传感。
3. 多元素协同效应与表面活性位点增强
通过对比实验（元素缺失与元素替换），系统验证了Fe、Co、Ni、Cr、Mn五种金属离子在尖晶石结构中的协同作用对TMA气体传感性能的关键影响。碱化处理进一步引入了更多的晶格畸变、吸附氧和氧空位，增强了气体吸附和表面反应活性。
4. 优异的室温TMA传感性能
优化后的HEO-0.7材料在室温下对500 ppm TMA的响应高达113%，响应/恢复时间分别为11 s和28 s，具备高选择性、良好的重复性和稳定性，检测限低至2 ppm，性能优于多数已报道的室温TMA传感材料。
5. 机理研究的系统性与深度
结合XRD、SEM、TEM、XPS、BET等多种表征手段，系统分析了材料的晶体结构、形貌、元素分布、表面化学状态和比表面积，并提出了基于表面电阻控制的气体传感机制，明确了高熵效应与碱化处理的协同增强作用。
核心实验1. 材料合成与碱化处理
静电纺丝制备HEO前驱体：
将Fe(NO₃)₃、Co(NO₃)₂、NiCl₂、Cr(NO₃)₂、MnCl₂按等摩尔比与PVP K90共同溶解于DMF中，搅拌12小时形成均匀纺丝液。在15 kV高压下进行静电纺丝，收集纤维前驱体。高温煅烧：
将前驱体在500 ℃空气中煅烧2小时，得到单相尖晶石结构的(FeCoNiCrMn)₃O₄（HEO）。碱化处理：
将HEO分别加入含0.7 g和0.9 g NaOH的30 mL水溶液中，70 ℃水浴反应1小时，得到HEO-0.7和HEO-0.9。2. 材料表征
XRD分析：
HEO、HEO-0.7和HEO-0.9均呈现单相尖晶石结构，空间群为Fd-3m。碱化处理后，晶粒尺寸减小，晶格畸变程度增加。形貌与元素分布：
SEM和TEM显示材料为尺寸在100–500 nm之间的八面体颗粒，表面光滑。EDS mapping证实O、Fe、Co、Ni、Cr、Mn元素均匀分布。XPS分析：
揭示了各金属元素的价态分布，以及O 1s中晶格氧、吸附氧和氧空位的比例。HEO-0.7具有最高的吸附氧含量和较多的氧空位，有利于气体吸附与反应。BET比表面积：
HEO、HEO-0.7和HEO-0.9的比表面积分别为28.7、32.0和24.7 m²/g，虽不高，但碱化处理仍在一定程度上提升了比表面积。3. 气体传感性能测试
选择性测试：
HEO-0.7对500 ppm TMA的响应为113%，远高于其他气体（如乙醇、丙酮、氨气等），表现出优异的选择性。动态响应与恢复：
HEO-0.7在2–500 ppm TMA范围内均表现出可逆的电阻变化，响应与恢复时间分别为7–13 s和25–38 s，恢复完全。重复性与稳定性：
在8次循环测试中，HEO-0.7的响应值与基线电阻基本不变，表现出良好的重复性和稳定性。湿度影响：
随着环境湿度升高，HEO-0.7对TMA的响应逐渐下降，说明水分子会竞争吸附位点。4. 对比实验与机理分析
元素缺失与替换实验：
通过减少或替换金属元素制备对比样品，发现只有五元素共存的HEO-0.7才具备优异的TMA传感性能，验证了多元素协同效应的重要性。传感机制：
材料表现为n型半导体行为，TMA与表面吸附的氧物种反应，释放电子回导带，导致电阻下降。碱化处理引入的氧空位和晶格畸变增强了气体吸附与反应活性。图文解读图1：材料合成、碱化处理与气敏测试示意图
本图以简洁的示意图形式展示了研究的三个核心环节。(a) 通过静电纺丝与高温煅烧制备高熵氧化物(FeCoNiCrMn)₃O₄的过程；(b) 使用不同浓度的NaOH溶液对HEO进行碱化处理，得到HEO-0.7与HEO-0.9样品；(c) 气敏性能测试系统的结构示意图，展示了传感器在空气与目标气体（TMA）氛围中的电阻信号采集过程。该图清晰地概括了从材料制备、改性到性能评估的整体实验流程。
图2：样品的晶体结构与晶格畸变分析
本图通过XRD图谱系统分析了各类样品的晶体结构。(a) HEO及其碱化样品均呈现纯相尖晶石结构；(b) 随碱化浓度提高，晶粒尺寸减小，晶格畸变程度增加；(c) HEO-0.7的Rietveld精修结果确认其空间群为Fd-3m，拟合良好；(d) Williamson-Hall图显示碱化处理加剧了晶格畸变；(e,f) 分别展示了通过减少或替换金属元素所制备对比样品的XRD图谱，说明元素组成对维持高熵单相结构至关重要。
图3：HEO-0.7的微观形貌与元素分布
该图通过电子显微镜技术详细表征了HEO-0.7样品的形貌与成分。(a-c) 不同放大倍率的SEM图像显示样品由尺寸在100–500 nm之间的八面体颗粒组成，表面光滑，形貌均一；(d) TEM图像进一步确认其固体八面体结构；(e,f) HRTEM图像显示清晰的晶格条纹，对应尖晶石结构的(220)与(311)晶面；(g-m) HAADF-STEM图像及相应的EDS元素面分布图，证实O、Fe、Co、Ni、Cr、Mn六种元素在纳米尺度上均匀分布，成功形成高熵固溶体。
图4：HEO与HEO-0.9的扫描电镜图像
本图对比展示了未碱化HEO与过度碱化样品HEO-0.9的微观形貌。(a-c) HEO样品由规整的八面体颗粒聚集而成；(d-f) HEO-0.9样品仍保持类似的八面体形貌，说明碱化处理并未显著改变材料的整体微观结构，其主要影响在于晶体内部的缺陷与表面化学状态。
图5：HEO-0.7的XPS谱图与表面化学状态分析
本图通过X射线光电子能谱深入分析了HEO-0.7的表面元素化学态。(a-e) 分别为Fe 2p、Co 2p、Ni 2p、Cr 2p和Mn 2p的高分辨率谱图，揭示了各金属元素的多种价态共存；(f-h) 为HEO、HEO-0.7和HEO-0.9的O 1s谱图，可分解为晶格氧、吸附氧和氧空位三个组分，其中HEO-0.7具有最高的吸附氧含量；(i,j) N₂吸附-脱附等温线及比表面积数据，显示HEO-0.7具有三者中最大的比表面积，有利于气体吸附。
图6：HEO-0.7与HEO-0.9的气体选择性及动态响应曲线
本图评估了材料在室温下对多种气体的传感性能。(a,b) 雷达图显示HEO-0.7对500 ppm TMA具有最高响应（113%），选择性显著，而HEO-0.9的选择性较差；(c,d) 动态电阻变化曲线表明二者对还原性气体均呈现电阻下降的n型半导体行为；(e,f) 响应差值图直观表明HEO-0.7在复杂环境中区分TMA与干扰气体的能力突出，进一步印证其优异的选择性。
图7：HEO-0.7与HEO-0.9对TMA的动态传感性能与稳定性
本图详细研究了材料对不同浓度TMA的传感动力学及稳定性。(a-c) HEO-0.7在不同浓度TMA下的电阻动态变化、响应值以及响应/恢复时间，表现出快速响应（7–13 s）和完全恢复的特性；(d-f) HEO-0.9的对应性能对比，其响应与恢复速度均慢于HEO-0.7；(g-i) 八次循环测试的实时电阻与响应值曲线，证明HEO-0.7具有良好的重复性与长期稳定性，适合实际应用。
结论与展望基于本研究在静电纺丝法制备高熵氧化物及其室温气敏性能方面的探索成果，结合当前先进静电纺丝设备所具备的多针阵列、同轴纺丝、温湿度精准调控及多材料复合等功能，我们对高熵氧化物在气体传感领域的未来发展前景充满信心。展望未来，通过优化材料结构设计（如构建核壳、中空或多孔纤维）、调控纺丝工艺参数，并借助设备在柔性收集、连续制备及多通道进样等方面的优势，有望进一步提升高熵氧化物气体传感器的灵敏度、选择性与稳定性，推动其在环境监测、医疗诊断及食品安全等领域的实际应用，为开发新一代低功耗、高性能气体传感材料与器件开辟更广阔的道路。
文章来源：https://doi.org/10.1021/acssensors.5c02540配资台官网网站
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