二氧化氮（NO2）作为最为常见的空气污染物，是酸雨、光化学烟雾以及PM2.5的主要成因。人体吸入NO2对呼吸系统有害，严重时甚至危及生命安全。因此，NO2的监测和管理对生态环境保护和人类身体健康至关重要，而气体传感器作为能够将气体信号转变为可视电信号的重要工具，可以很好地满足这一需求。传统金属氧化物气敏传感器因制造成本低、灵敏度高以及响应和恢复速度快等优点而成为目前研究和应用最为广泛的NO2传感器。

然而，其较高的工作温度导致传感器功耗增加，限制了该类传感器在以电池供电的个人便携移动终端上的使用。二维金属硫族化物种类丰富，具有从金属到半导体的宽选择范围以及可调能带结构、高载流子浓度和迁移率，在室温NO2气敏传感中展现出突出优势并拥有大量实验应用。然而，研究发现金属硫族化物敏感材料在室温条件下呈现出不足的气敏响应和不完全的恢复性。同时，其在含氧和水环境中表现出老化降解的现象，并伴随着物理化学特性变化以及电学性能退化。因此，金属硫族化物不足的室温气敏性能和材料稳定性仍是一项急需解决的问题。

基于此，西南交通大学纳米功能材料与传感系统实验室的研究人员选用二维金属氧硫族化物为研究对象，以光致气敏传感为平台，实现了高性能、高稳定的光致室温NO2气敏传感。此项工作为二维氢氧化氧铋和氧硫化铋合成提供了简单、高效的新方法，证明了金属氧硫化物在光致室温气敏传感中的应用潜力。研究成果以“Tunable Synthesis of 2D Bismuth Oxyhydroxide and Oxysulfide from Solid-Liquid Interfacial Reaction for High Performance Optoelectronic Gas Sensing”为题发表于期刊《Small》，博士生唐涛为论文第一作者，欧建臻教授、李中副教授为论文共同通讯作者。

团队首先创新性地利用金属铋在液相环境的界面反应实现了二维氢氧化（BiOx(OH)y）氧铋和氧硫化铋（Bi2S1.12O1.88和Bi2O0.4S2.6）的定制合成。当金属铋在纯液相中超声时，其能够与溶解氧和水分子反应，进而使得其表面生长一层超薄自限制氢氧化氧铋层。此外，通过Na2S与水的反应在剥离溶剂中引入H2S，利用H2S与氢氧化氧铋之间的硫化相互作用，实现氧硫化铋层在金属铋表面的生长。更重要的是，表面氢氧化氧铋和氧硫化铋层与内部纯铋之间存在晶格的失配，使得表层材料能够被超声剥离，进而形成二维氢氧化氧铋和氧硫化铋纳米片。

图1 固-液界面调控合成二维氢氧化氧铋和氧硫化铋的示意图以及合成得到二维氢氧化氧铋的微观形貌和化学成分表征

图2 合成得到二维氧硫化铋的微观形貌和化学成分表征

二维氢氧化氧铋和氧硫化铋的能带结构表征研究发现，材料的光学带隙、价带谱以及Mott-Schottky曲线都呈现出规律性的变化。因此，二维氢氧化氧铋和氧硫化铋中硫原子的引入以及氧硫原子比的控制，能够实现对能带结构的调控。

图3 二维氢氧化氧铋和氧硫化铋的能带结构

鉴于氢氧化氧铋在~350 nm的紫外光范围展现出光学吸收，而氧硫化铋在~500 nm的可见光范围展现出明显红移的光学吸收，研究了二维氢氧化氧铋和氧硫化铋的光电响应特性。其中，氧硫化铋因具有更窄的能带间隙而展现出从紫外光、紫光至蓝光范围的光电响应。

图4 二维氢氧化氧铋和氧硫化铋的电学特性和光电探测应用

图5 二维氢氧化氧铋和氧硫化铋的光致室温NO2气敏性能

最后，基于二维氢氧化氧铋和氧硫化铋的光电特性，进行了光致室温NO2气敏传感测试。在紫光激发条件下，BiOx(OH)y未展现出气敏响应，由于其较少的本征载流子数量和较宽的能带间隙。相反，氧硫化铋气敏传感器在相同条件下展现出显著的气敏响应。对比于Bi2O0.4S2.6，Bi2O1.12S1.88传感器展现出更高的气敏响应，由于其导带与NO2的LUMO能级之间更大的能量差支持更多的电荷转移。随后更加深入和系统的气敏性能测试中，Bi2O1.12S1.88传感器对10-250 ppb极低低浓度NO2展现出室温可逆的气敏响应。此外，该传感器还具有出色的可重复性、选择性和长达一个月的长期稳定性。