随着双碳发展战略的实施，在节能减排过程中要使用传感器对二氧化碳排放过程进行持续监测。在生产安全领域要对封闭工作场所的高浓度二氧化碳气体进行监测，以免导致工作人员窒息。为满足不同气氛环境下二氧化碳的监测需求，需要采用可在大气以及低氧甚至无氧环境下工作的二氧化碳传感器。近年来金属氧化物半导体气体传感器以其低成本、低功耗、高灵敏和响应快的优势得到了研究者的关注，但反应机制研究尚未深入。

上海应用技术大学郑丹教授和中国科学院上海微系统与信息技术研究所李昕欣研究员团队开展了基于 MEMS 芯片的二氧化碳气体传感器研究工作。该成果以”CO₂ sensing properties and mechanism of ZnMn₂O₄ nanotubes under air and inert conditions”为题，发表于 Journal of Materials Chemistry C，上海应用技术大学和中科院上海微系统所联合培养研究生胡嘉豪、张涛为共同第一作者，陈滢、郑丹为本文通讯作者。该研究工作得到科技部国家重点研发计划项目、国家自然科学基金及上海市一带一路等项目的支持。

本文以二氧化锰为前驱体合成了 ZnMn₂O₄ 纳米管，并将其负载于 MEMS 芯片上制成二氧化碳传感器。ZnMn₂O₄ 纳米管平均直径约为 100 nm。MEMS 芯片加热区为一个直径为 300 μm 的悬空加热盘，在最佳温度 175 °C 下工作时，功耗仅为 19 mW。为测试纳米管的气敏性能，本文分别在空气和氮气气氛下对不同浓度的二氧化碳气体进行了敏感测试，传感器均展现了快速、可逆、可重复的良好响应。

由于 ZnMn₂O₄ 纳米管材料在空气和氮气气氛下具有相似的敏感特性，其敏感原理与普通金属氧化物气敏材料有所不同。为探明反应机制，本文采用 X 射线衍射（XRD）、原位拉曼光谱（in-situ Raman）和 X 射线电子能谱（XPS）等手段进行了研究，根据 XPS 结果，对 Mn2p 轨道的拟合表明 ZnMn₂O₄ 样品中的 Mn³⁺ 歧化为 Mn²⁺ 和 Mn⁴⁺。原位拉曼光谱显示反应过程中产生了新物质峰，可归属为 MnCO₃ 和 ZnMnO₃。XRD 结果同样表明，反应产生了 MnCO₃ 的特征峰。上述结果表明，ZnMn₂O₄ 纳米管与 CO₂ 发生了歧化反应，反应产物为 MnCO₃ 和 ZnMnO₃。

研究结果表明，本文开发的基于 ZnMn₂O₄ 纳米管的二氧化碳传感器具有功耗低、可在空气和氮气气氛中工作的优势，具有良好的应用前景。

• CO₂ sensing properties and mechanism of ZnMn₂O₄ nanotubes under air and inert conditions
  Jiahao Hu, Tao Zhang, Ying Chen*(陈滢，中科院上海微系统所), Pengcheng Xu, Dan Zheng*(郑丹，上海应用技术大学), Xinxin Li.
  J. Mater. Chem. A. ，2022
  http://doi.org/10.1039/D2TC00298A

  

• 胡嘉豪

  现就读于中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海应用技术大学和中科院上海微系统所联合培养研究生，研究方向为 MEMS 气体传感器。

• 张涛

  现就读于中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海应用技术大学和中科院上海微系统所联合培养研究生，研究方向为气敏材料与气体传感器。

   

• 陈滢

  博士，副研究员。2010 年加入中科院上海微系统所传感技术国家重点实验室，从事 MEMS 生化传感器的研发、微纳加工以及敏感机理等研究。主持和参与了科技部重点研发项目、国家自然科学基金项目、中科院仪器研制项目等十余项。2018 年一项发明专利授权给国内气体传感头部企业，已实现 MEMS 气体传感器量产制造。在 Nano Letters, Sens. Actuators B Chem., Anal. Chem., J. Mater. Chem. C, ACS Appl. Mater. Interfaces 等期刊上发表 SCI 论文 30 余篇，授权专利10 余件。

• 许鹏程

  博士，副研究员。主要从事 MEMS 微纳传感器及科学仪器方面的相关研究，研究领域涉及材料、分析技术、MEMS 芯片以及仪器仪表等多门类交叉学科。在 Nano Letters, Anal. Chem., Small, J. Phys. Chem. Lett. 等期刊上发表近百篇 SCI 检索论文，在传感技术顶级国际会议（包括 IEEE MEMS 和 Transducers）发表论文 40 余篇。

• 郑丹

  博士，上海应用技术大学化学与环境工程学院教授。本科、硕士、博士分别就读于浙江大学、沈阳化工大学、中科院上海微系统与信息技术研究所，2001 年进入上海应用技术大学任教，并担任应用化学专业硕士生导师。近年来在 J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater. Interfaces., Anal. Chem., Microsyst. Technol. 等知名杂志发表论文 60 余篇，公开与授权专利 6 项。近年主持和作为主要完成人承担和参与包括国家自然科学基金等在内的科研项目 8 项。

• 李昕欣

  博士，研究员，博导，国家杰出青年科学基金获得者。从 2001 年起在中科院上海微系统与信息技术研究所任研究员。2005 年获得上海市科技进步奖一等奖；2006 年度获得上海市技术发明奖二等奖；2012 年获国家技术发明二等奖。2009 年获全国百篇优秀博士论文指导教师奖励；2011 年入选上海领军人才。李昕欣长期研究微纳电子机械系统（MEMS/NEMS）和微纳传感器技术，是该领域国际知名的学者和国内的学术带头人之一。已授权和受理专利 100 余项，其中 20 多项已经授权转让给企业。有约 300 篇 SCI 论文发表在国际重要 SCI 期刊如 Nano Today, Nano Letters, Nat. Comm., J. Mater. Chem. A, Phys. Rev. Lett., IEEE Electron Device Lett., IEEE J Microelectromech. Syst., IEEE Trans. Electron Devices, Small, Adv. Func. Mat., Anal. Chem., J. Micromech. Microeng., Sens. Actuators B Chem. 上。李昕欣教授担任 SCI 期刊 J. Micromech. Microeng., Sci. Rep., Microsyst. Nanoeng., Micromachines 编委。