自供电锌气邱健蓄电池驱动NO2由多晶界工程CeO驱动的气体传感器2

实时室温二氧化氮（NO₂）监测对于保护人体健康和环境至关重要，但传统传感器在高温运行和外部电源依赖方面面临局限。这里，我们报告的是自供电锌气电池驱动的NO₂基于多晶界工程CeO的气体传感器₂（MGB-CeO₂）空气阴极。MGB-CeO 中丰富的晶界₂促进氧空位的形成，提供更多活性位点以促进一氧化氮₂吸附与电荷转移。与纳米棒CeO相比₂（NR-CeO₂）传感器，MGB-CeO₂传感器的响应率提升了3.5倍，达到21.2%对10 ppm NO₂同时，响应和恢复时间也更短。密度泛函理论（DFT）计算证实了显著更高的一氧化氮₂MGB-CeO 的吸附能₂比NR-CeO的更强₂这可以归因于其缺陷丰富的结构。The MGB-CeO₂传感器表现出卓越的选择性、低实用检测极限和优异的长期稳定性。这项工作为自供能气体传感器的发展提供了新颖策略，为电化学传感提供了宝贵的实用见解。

图形摘要

我们报告的是自供电锌气电池驱动的NO₂基于多晶界工程CeO的气体传感器₂（MGB-CeO₂）空气阴极。The MGB-CeO₂作为双功能阴极材料，使高性能ZAB和自供电NO成为可能₂室温检测。该传感器具备自供电NO₂检测能力，并可为外部电子设备供电，因此在环境监测应用中极具前景。

1.  

二氧化氮（NO₂） 对环境可持续性和人类健康产生越来越严重的负面影响，因此需要在室温下进行实时监测。常规NO₂然而，传感器通常需要外部电源和较高的工作温度，严重限制了其在特殊环境中的实用性和灵活性[[1]， [2]， [3]]。尽管新兴的自供能气体传感器绕过了外部电源依赖，但其对稀缺贵金属的依赖、复杂的制造工艺、感应性能不足以及便携性受损，严重限制了其实际应用和可行性 [[4]， [5]， [6]， [7]]。
锌空气电池（ZAB）因其固有的安全性、丰富的锌原料以及操作简便性，已成为下一代气体传感器的有前景平台[[8]， [9]， [10]。关键是，空气阴极的氧还原反应（ORR）因其开放式阴极结构，对环境气体成分具有内在敏感性[11,12]。这一特性使得一种新颖的策略成为可能：将空气阴极作为双功能元件，同时作为感应元件和电池供电元件。实现这一集成系统需要一种双功能阴极材料，既能高效地用于ZAB发电，又对目标气体NO具有高度敏感和选择性₂.
金属氧化物半导体（MOS），如SnO₂[13,14]、ZnO [15,16]和CeO₂[[17]， [18]， [19]]，已被广泛研究用于 NO₂感应和ZABs。特别是，CeO₂因其可逆的铝，作为一种有前景的稀土氧化物而受到广泛关注³⁺/Ce⁴⁺氧化还原对和高度活性的表面氧物种。这些特性促进了快速的氧交换和电催化，这对气体感应和电池运行都至关重要[20,21]。最新研究显示，富含晶界的CeO₂纳米结构有效降低了Ce-O键的共价性，削弱了表面氧原子的晶格约束[22]。这一过程可以促进氧气空位的形成，从而产生丰富的吸附位点，用于催化和感应反应。因此，在 CeO 中工程化多晶界₂协同提升ZAB的功率输出和自供电NO的动态响应₂气体传感器仍是一个尚未被充分探索但至关重要的研究前沿。
在这项研究中，我们开发了一种自供电的锌空气电池驱动的NO₂具有空气阴极分层结构的气体传感器（MGB-CeO₂）-凝胶电解质-锌箔阳极。实时不行₂浓度监测通过检测三相界面电化学反应产生的电压变化实现。The MGB-CeO₂阴极材料具有双重功能，促进电子转移以增强电池功率输出，并利用晶界缺陷促进氧空位的形成，从而产生大量活性位点，显著提升一氧化氮₂吸附与解离。与NR-CeO相比₂传感器，MGB-CeO₂传感器的响应率显著提升至21.2%，约提升了3.5倍。本研究展示了设计高效且可持续气体传感器的有前景策略，凸显了其在可持续气体监测应用中的巨大潜力。