ACS Nano：改性介孔WO3纳米纤维造就性能优异气体传感器

在气体传感器应用方面，对于特定气体，尤其是气体浓度小于1ppm气体，对于气体的高效选择性、快速(<20s)检测且有较高的灵敏度（R_air/R_gas> 50，其中R_air、R_gas分别为传感器在空气和目标气体中的电阻），仍具相当大的挑战。

基于上述问题，韩国先进科技学院（Korea Advanced Institute of Science and Technology）的科研团队提出了一个合理的设计方案与合成概念，他们以人呼吸吐出的气体为研究对象，利用蛋白质纳米笼模块敏感化的静电纺丝纳米纤维(NFs)，对追踪生物目标的敏感性和可选择性进行检测。

研究人员对介孔WO₃纳米纤维进行研究，在均匀分布于WO₃纳米纤维上的纳米粒子Pt，Pd和Rh催化作用后，即使在潮湿环境、气体浓度为十亿分之一级别条件下，其仍能表现出非常出色的灵敏度。基于此项研究，该材料在疾病可靠性诊断方面被证实具有非常大的应用前景。

【图文导读】

图1 胶囊化脱铁铁蛋白纳米颗粒催化剂合成过程与微观分布

（a）胶囊化脱铁铁蛋白催化纳米颗粒合成过程示意图

（b-d）图（a）方法所制备的胶囊化脱铁铁蛋白催化纳米颗粒（AF-NPs）TEM图，其中（b） AF-Pt NPs,（c）AF-Pd NPs, （d）AF-Rh NPs，插图为高分辨率TEM图

（c-g）纳米颗粒尺寸分布直方图，（e）AF-Pt，（f）AF-Pd，（g）AF-Rh

图2 WO₃纳米纤维显微分析

（a）在生物激发催化纳米颗粒作用下，WO₃纳米纤维电纺工艺流程示意图

（b）经Pt-AF 纳米颗粒催化、煅烧后的WO₃纳米纤维SEM图

（c）Pt-AF 纳米颗粒催化WO₃纳米纤维的扫描透射图，左侧为TEM图，右侧为(EDS)面扫元素分布图，W（红色），O（绿色），Pt（黄色）

（d）Pt-AF 纳米颗粒催化WO₃纳米纤维横截面

（e）Pt-AF 纳米颗粒催化WO₃纳米纤维横截面高分辨率TEM图（d图中的蓝色部分）

（f）原始WO₃纳米纤维、Pt-多元醇作用的WO₃纳米纤维，以及Pt-AF 纳米颗粒催化WO₃纳米纤维

图3 350℃下，原始WO₃纳米纤维、Pt-多元醇作用的WO₃纳米纤维，以及Pt-AF 纳米颗粒催化WO₃纳米纤维的动态气敏特性

（a）浓度为1-5ppm时对丙酮气体的响应

（b）Pt-AF 纳米颗粒催化WO₃纳米纤维对1ppm丙酮，以及氢气（H2）、硫化氢（H₂S）、甲苯（C₆H₅CH₃）、一氧化碳（CO）、乙醇（C₂H₅OH）、氨气（NH₃）、戊烷（CH₃(CH₂)₃CH₃）、甲烷（CH₄）、甲硫醇（CH₃SH）九种干扰气体的选择特性

（c）浓度为1-5ppm时对气态甲苯的响应

（d）Pt-AF 纳米颗粒催化WO₃纳米纤维对1ppm甲苯的选择特性，以及对九种干扰气体 的响应

（e）浓度为1-5ppm时对硫化氢气体的响应

（f）Rh-AF 纳米颗粒催化WO₃纳米纤维对1ppm硫化氢的选择特性，以及对九种干扰气体的响应

图4 纳米颗粒催化WO₃纳米纤维在不同条件下的响应

（a）Pt-AF 纳米颗粒催化WO₃纳米纤维对丙酮气体的响应

（b）Pt-AF 纳米颗粒催化WO₃纳米纤维对甲苯的响应

（c）Rh-AF 纳米颗粒催化WO₃纳米纤维对350℃下浓度为0.1-5ppm硫化氢的响应

（d）Pt-AF 、Pd-AF以及Rh-AF纳米颗粒催化WO₃纳米纤维检出限的线性近似值

图5 不同类型纳米颗粒催化WO₃纳米纤维气体浓度与响应和恢复时间的关系

（a）Pt-AF、Pd-AF以及Rh-AF纳米颗粒催化WO₃纳米纤维（Pt-AF_WO₃ NFs， Pd-AF_WO₃ NFs以及Rh_AF-WO₃ NFs）在0.1-5ppm气体浓度下的响应与恢复时间

（b）不同类型纳米颗粒催化WO₃纳米纤维在0.1-5ppm气体浓度下的平均响应与恢复时间

图6 使用三种不同传感器（Pt-AF_WO₃ NFs，Pd-AF_WO₃ NFs以及Rh_AF-WO₃ NFs）基于主成分分析对不同浓度的10种生物标记气体进行模式识别

文献链接：Mesoporous WO3 Nanofibers with ProteinTemplated Nanoscale Catalysts for Detection of Trace Biomarkers in Exhaled Breath