王心晨/阳灿/徐刚Angew：选择性暴露BiVO4上特定晶面，用于超低浓度H2S光化学检测

气体传感作为一种重要的信息技术之一最近受到人们广泛关注。与使用精密仪器或在复杂操作条件下使用的方法相比，化学电阻性气体传感器因其低成本、便携性和不同可用的传感材料而更为优越。金属氧化物半导体(MOS)具有良好的稳定性和环保性能，长期以来一直被用作传感材料。为了提高MOS材料在热场作用下的灵敏度，人们采用了控制晶粒尺寸和提高工作温度等几种策略。将吸附在MOS上的氧在高操作温度(100-450 °C)下电离，建立活性物种。实际上，大多数MOS材料在室温下几乎无反应，由于热成熟、烧结或目标气体分子中毒，其仍然存在一些敏感性降解的问题。

作为一种替代方法，MOS的内部光载流子可以被光激发，原则上可以在室温下用于产生气体传感的活性氧。一些MOS材料在光照下对特定的气体有响应，但人们很少在原子水平上解释光驱动传感过程的机理，导致对光生载流子与目标气体分子相互作用过程的了解不足。因此，需要开发具有高灵敏度的高效光活化传感材料并进行深入研究，对进一步改进MOS以提高气敏性能具有参考意义，也为基础研究和技术应用提供机会。

近日，福州大学王心晨、阳灿和中国科学院福建物构所徐刚等报道了一种光化学(BiVO₄)传感材料，该材料具有很大比例的(110)和(011)面和附加的(111)面，可用于可见光驱动的选择性检测超低浓度H₂S。

与十面体BiVO₄(Deca-BiVO₄)相比，通过晶面工程，Octa-BiVO₄具有更大的比例的光氧化表面，提高了各向异性光诱导载流子分离，使Octa-BiVO₄的传感性能优于Deca-BiVO₄。同时，(111)面的暴露实现了Octa-BiVO₄在V位点上对H₂S的特征吸附，导致对H₂S具有较高的选择性，降低了目标气体的检测限。

同时，Octa-BiVO₄在光照条件下的传感性能优于加热条件下，显示了照明的优势和独特的作用。同时，Octa-BiVO₄还显示出优越的耐久性，因为H₂S被氧化为元素硫(S)和二氧化硫(SO₂)，避免了硫中毒。

此外，结合实验结果和密度泛函理论(DFT)计算，研究人员提出了可能的机理：1.光照使光生空穴(h⁺)和电子(e⁻)分别迁移到光氧化和光还原表面，与V原子结合的-OH基团与h⁺结合，转化为•OH，导致电流增加；2.H₂S首先吸附在(111)面的V原子上，随后被•OH氧化成S和SO₂，导致电子从H₂S转移到Octa-BiVO₄，进一步提高电流；3.H₂S检测后，空气中的O₂分子吸附到V原子上，捕获e⁻以恢复电流值，然后与水中的质子结合转化为-OH，实现气敏循环。

Crystal engineering of BiVO₄ for photochemical sensing of H₂S gas at ultra-low concentration. Angewandte Chemie International Edition, 2023. DOI: 10.1002/anie.202314891

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