随着工业排放与机动车尾气持续增加，NO2已成为危害人体健康与大气环境的主要污染物。作为酸雨、光化学烟雾的重要前体，NO2即使在极低浓度下也会引发呼吸系统损伤、免疫功能下降等健康问题。开发在低温下实现超灵敏、快响应、高选择性的NO2气体传感器，已成为环境监测、工业安全与大气治理领域的迫切需求。
近日，西安邮电大学张金牛副教授与陕西师范大学卢红兵教授研究团队合作，在国际期刊《Chemical Engineering Journal》（IF=13.2）上发表重要研究成果：Atomic-level tuning of mass-selected Ag clusters for surface functionalization of porous WO₃ nanofibers to enhance NO2 sensing properties。团队通过原子级精准质量选择银团簇，对多孔WO3纳米纤维进行表面功能化修饰，成功构建出可实现痕量ppb级NO2快速检测的高性能气体传感器。
图 1：Agₓ-WO₃传感器的制备流程示意图。
研究采用静电纺丝制备多孔WO₃纳米纤维，再通过质量选择团簇束沉积（MSCB）技术，将原子数精准可控的银团簇均匀负载于纤维表面，最终完成传感器制备。
图2：纯WO3、Ag55-WO3、Ag175-WO3和Ag600-WO3纳米纤维的XRD、FT-IR光谱和Raman光谱。
研究采用静电纺丝技术制备多孔WO₃纳米纤维，再通过质量选择团簇束沉积（MSCB）技术，将原子数精准可控的银团簇（Ag₅₅、Ag₁₇₅、Ag₆₀₀等）均匀负载于纤维表面，制备出 Agₓ-WO₃复合气敏材料。XRD、TEM、XPS等表征结果证实，银团簇在 WO₃表面高度分散、尺寸均一、无团聚，成功实现原子级精准调控。
图3：(a) Ag55、(b) Ag175和(c) Ag600团簇的AC-TEM图像；(d) Ag55、(e) Ag175和(f) Ag600团簇的AC-HRTEM图像；(g) Ag55、(h) Ag175和(i) Ag600团簇尺寸分布直方图。
图4：(a) Ag1200，(b) Ag2400和(c) Ag3600团簇的TEM图像；分别是(d) Ag1200、(e) Ag2400和(f) Ag3600团簇的HRTEM图像。
图5：SEM图像(a)纯WO3和(b) Ag175-WO3；(c)TEM图像，(d)AC-TEM图像，(h) AC-HRTEM图像；(e) W、(f)O和(g)Ag元素的EDS mapping图像。
气敏性能测试表明，Ag₁₇₅-WO₃传感器展现出最优综合性能：在低温下对1000 ppb NO₂响应值高达221.5，对 10 ppb 超低浓度 NO₂仍保持10.5的显著响应；响应/恢复时间仅33 s/51 s，远快于纯 WO₃传感器；对氨气、甲醇、丙酮、乙醇等干扰气体几乎无响应，选择性优异；在 30%–80% 湿度范围内保持高响应，15天长期稳定性良好。
图6: (a)传感器对1000 ppb NO2的响应温度曲线，(b)响应浓度曲线，(c) 5个周期的动态传感特性，(e)选择性，(f) 吸附能。
图7：UPS光谱图以及能带机理图。
该传感器性能大幅提升，源于银团簇与WO₃之间的协同作用：一是形成肖特基接触，构建界面电子耗尽层，显著调控传感器电阻；二是银团簇发挥高效催化敏化与溢出效应，促进氧分子活化与吸附氧生成，加快表面反应动力学；三是原子级精准尺寸使 Ag₁₇₅团簇达到最佳催化活性，平衡吸附与反应，实现灵敏度与响应速度同步突破。
本工作首次将原子级精准质量选择团簇技术应用于WO₃基气体传感器，解决了传统贵金属修饰尺寸不均、易团聚、活性不可控的关键难题。所制备的 Ag₁₇₅-WO₃传感器在低温、超灵敏、快响应、高选择性、低成本方面全面领先，为大气痕量NO₂在线监测、工业排放预警、车载尾气检测提供了全新技术方案。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894726041100
人物简介：
张金牛，西安邮电大学理学院副教授，博士，硕士生导师，入选陕西高校优秀青年人才、陕西省科协青年人才、西安邮电大学高层次人才等。主要从事半导体气体传感器和柔性传感方面的应用研究。先后主持国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、陕西省教育厅、陕西省科协、中央高校等项目10项。在国际权威学术期刊Advanced Functional Materials（IF=19.0）、Nano Letters、Chemical Engineering Journal（IF=13.2），Sensors and Actuators B: Chemical，Journal of Materials Chemistry A（IF=14.5）等刊物上发表SCI论文50余篇（包括中科院1区论文28篇，2区论文16篇），论文被SCI引用2800多次，H因子=29，入选ESI高被引论文6篇，申请国家发明专利6项。受邀为Adv. Funct. Mater.、Sensors Actuators B、Chem. Eng. J.等期刊评审人、西安市科技特聘专家。获陕西高等学校优秀研究成果二等奖、陕西省优秀创新创业导师等荣誉，指导学生获中国国际创新大赛国家级奖项2项、省奖8项。
卢红兵，陕西师范大学物理学与信息技术学院教授，博士生导师。博士毕业于武汉大学，德国Leibniz Institute of Surface Modification (IOM)研究所博士后。2023年入选“陕西省中青年科技创新领军人才”，2015年入选“陕西省青年科技新星”。主持4项国家自然科学基金项目（3项面上基金+1项青年基金）和3项省部级项目。从事低维纳米结构的制备及物性方面的研究工作，并致力于探索其在气敏、柔性传感及信息存储等领域的应用。截至2025年已在国际学术刊物上发表被SCI收录的论文100余篇，共被SCI他引超过4000次；其中发表第一作者SCI文章/通讯作者近70篇，分别发表在Advanced Functional Materials (IF=19.0)、Nano Letters、Coordination Chemistry Reviews (IF=20.3)、Chemical Engineering Journal （IF= 15.1）、Sensors and Actuators B: Chemical、Applied Physics Letters等著名学术期刊上。
