国防科技大学王兵团队提出有序空位簇锚定铂单原子形成双局域电场，实现超宽温域范围内稳定且快速检测NO2

研究背景

传统金属氧化物气体传感器在超宽温区下面临的核心难题在于其单一类型的活性位点与静态的电子结构。这种固有特性导致传感器在温度剧烈变化时，无法同时兼顾低温下的反应动力学与高温下的结构稳定性，极易出现表面钝化、烧结、相变以及竞争吸附等现象。尽管现有研究尝试通过电子补偿或动态热调制来缓解这一问题，但这些方法普遍存在高温稳定性差，反应位点易失活等固有缺陷，难以从本质上解决因温度变化引起的活性位点失效问题，因此无法在极端宽温域内同时实现快速响应与长期稳定。

研究进展

国防科技大学王兵团队通过在二氧化铈中构建由铂单原子锚定有序空位簇形成的双局域电场，利用热激活实现电场“接力”切换，使不同温区由不同活性位点主导反应，从而在极端温度范围内实现快速、稳定、持续的NO₂检测。首先，展示了Pt_SA锚定在含有序空位簇的二氧化铈上的微观形貌。结合AC-TEM、XANES等多种手段，证实了Pt_SA优先占据空位簇边缘的四重空位形成Pt-Ce³⁺配位，同时在完整晶格位点形成Pt-Ce⁴⁺配位，且空位簇中心主要为Ce³⁺富集区。该图揭示了材料中双局域电场的结构基础，即两种不同的Pt-Ce配位环境与有序空位簇协同作用，为后续热激活电场接力机制提供了原子尺度的实验证据。

通过理论计算与多种谱学表征阐明Pt-Ce³⁺在费米能级附近具有更高的电子密度和更强的电子转移能力，从而形成强度更高、热激活能更低的LEF-1，Pt-Ce⁴⁺形成LEF-2。有序缺陷的引入增强了Ce³⁺的活性与自由电子浓度，且LEF-1对分子的吸附能力优于LEF-2。该图揭示了两种电场在电子浓度、热激活能及反应活性上的本质差异。

与CeO₂和v-CeO₂相比，Pt_SA/v-CeO₂将工作温度范围拓展至-50至800^oC，响应-恢复时间均在12秒以内，并且在-50^oC和800^oC下分别进行10次循环测试和75天长期稳定性测试后，响应值几乎无衰减，表现出优异的循环稳定性和长期稳定性，双局域电场的构建使传感器在极端温度条件下实现了快速响应、高灵敏度和优异稳定性。

通过中红外瞬态吸收光谱等手段，揭示了在30℃时，LEF-1主导反应，电子从Ce³⁺快速转移至Pt_SA，界面电子转移效率高；当温度升至110^oC时，电子开始从Ce³⁺-Ce³⁺对向邻近Ce⁴⁺迁移，导致LEF-1电场强度减弱；至200^oC时，LEF-1的电子转移效率进一步下降，而热激活能促使LEF-2的电子转移速率显著提升，成为主导反应的电场。该图直观展示了随着温度升高，反应中心从LEF-1向LEF-2的“接力”过程。

通过理论计算和原位拉曼光谱揭示在低温区LEF-1主导时，O₂优先以Pt-O-O-Ce³⁺模式吸附，NO₂以Pt-N-O-O-Ce³⁺模式吸附；在高温区LEF-2主导时，O₂和NO₂分别以Pt-O-Ce⁴⁺和Pt-O-N-O-Ce⁴⁺模式吸附。随温度升高，反应中心从LEF-1向LEF-2迁移，活性氧物种由O₂^-向O^-转变。

未来展望

基于本研究构建的双局域电场热激活接力机制，未来可进一步拓展该自适应传感策略至其他金属氧化物体系，探索不同单原子与空位簇组合对温域响应范围的调控规律。同时，结合微纳加工与集成电路技术，可将该传感机制集成于多功能智能传感器件中，实现在航空航天、深海探测、工业互联网等极端环境下对多种目标气体的实时、无线、分布式监测。此外，借助人工智能辅助的材料筛选与反应路径预测，有望加速从“被动响应”向“主动适应”的智能传感系统演进，为下一代宽温域、高稳定、低功耗智能传感器的发展提供新范式。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.1138