近日，上海理工大學健康學院朱志剛教授團隊在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）期刊上發表了題為“光子激活與光熱協同效應增強MXene異質結構對硫化氫（H2S）的檢測性能”（“Synergistic Effects of Photoactivation and Photothermal in MXene Heterostructures for the Enhanced H2S Detection Capability”）的研究成果，健康學院韓雨彤副教授和碩士生殷紫陽為文章共同第一作者，朱志剛教授和韓雨彤副教授為共同通訊作者，上海理工大學為唯一通訊單位。該研究利用光子激活與光熱協同策略，實現了室溫氣體傳感器傳感性能的綜合提升，揭示了氣敏性能提升的內在機理，并且成功應用于食品腐敗監測和呼出氣檢測領域，為半導體基氣體傳感器的性能提升策略與應用提供了新的思路。
人類健康監測（如呼出氣檢測）、有害氣體安全防控（含溫室/爆炸性氣體）及食品新鮮度檢測等領域需求的快速增長，使得高性能室溫氣體傳感器研發成為全球焦點。盡管化學電阻式氣體傳感器經多年研究已具備對多種氣體的高靈敏度檢測能力，但其商業化應用仍受限于選擇性不足與響應/恢復動力學緩慢兩大關鍵瓶頸，并且化學電阻材料對特定目標氣體的響應機制仍存在顯著的理論缺失。
為此，朱志剛教授團隊創新提出光子激活與光熱協同策略。通過構建MXene/PbS異質結構，在近紅外光（NIR）輔助下高效吸收光能，促進光生載流子分離，增強活性氧自由基（如·O2-和·OH）生成，顯著提升硫化氫氧化效率。同時，光熱效應使材料表面局部升溫，加速氣體分子運動，降低硫化氫活化能，提升吸附/解吸速率，該協同機制使傳感器可在室溫高效工作。利用原位紅外光譜技術揭示了性能提升的內在機理，該團隊進一步構建了集成深度學習算法（1D-CNN/LSTM）的智能監測系統。在食品腐敗監測方面，通過監測雞蛋腐敗釋放的硫化氫，系統準確預測變質情況。在口腔健康診斷方面，通過分析呼出氣中的硫化氫濃度，系統可實時識別口腔異味狀態，為口臭、腸胃疾病提供無創篩查工具。
傳感機理示意圖
智能監測系統應用與算法框架示意圖
該研究突破了室溫氣體傳感的理論與技術瓶頸。首創“光子激活-光熱協同”機制，利用近紅外光同時觸發MXene/PbS異質界面高效光催化反應和原位光熱效應，實現了硫化氫分子活化能降低與反應動力學加速，結合原位光譜和DFT模擬在微觀層面驗證了機制。所構建的智能系統在口腔診斷和食品腐敗預警中驗證了實用性，其協同機制為其它氣體檢測及低功耗物聯網傳感提供了通用框架。
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https://doi.org/10.1002/adfm.202509735
