纳米金属氧化物半导体气体传感器作为主要固态气体传感器件，因其灵敏度高、制作成本低和信号测量简单等优点，广泛应用于工业生产、环境监测、卫生保健等领域。目前针对纳米金属氧化物传感材料气敏性能改进的研究，主要集中于纳米尺度金属氧化物的开发，如纳米结构化和掺杂改性等。

图1 纳米金属氧化物气体传感器

纳米金属氧化物半导体传感材料主要有SnO₂、ZnO、Fe₂O₃三大类，此外还有V₂O₅、In₂O₃、WO₃、TiO₂、Nb₂O₅等，而传感器件仍以电阻式气体传感器应用最广，非电阻式气体传感器也开发的较为快速。

目前，研究者研究主要方向为制备大比表面积的结构化纳米材料，如纳米管、纳米棒阵列、纳米多孔膜等，以提高材料的气体吸附量、提升气体扩散速率，进而提高材料对气体的灵敏度、加快响应速度。对金属氧化物进行元素掺杂，或者构建纳米复合体系，引入的掺杂剂或复合成分可以起到催化作用，还可以成为构建纳米结构的辅助载体，从而改善传感材料整体的气敏性能。

氧化锡（SnO₂）是一种普敏型气敏材料，对乙醇、H₂S、CO等气体均有很好的灵敏性，其气敏性能取决于材料粒径和比表面积，因此控制SnO₂纳米粉体颗粒的尺寸是提升气敏性能的关键。

研究者基于介孔和大孔纳米氧化锡粉体，制备了厚膜传感器，其对CO的氧化有更高的催化活性，也就意味着更高的气体传感活性。另外，纳米多孔结构因其构造上的大比表面积、丰富的气体扩散和质量传输通道等特点，已经成为气体传感材料设计中的热点。

图2 多孔二氧化锡纳米结构SEM图（图片来源Chem.Mater.）

氧化铁（Fe₂O₃）有两种晶型：α－Fe₂O₃和γ－Fe₂O₃，均可以作为气敏材料，但两者的气敏性能有着较大的差异。α－Fe₂O₃属于刚玉结构，物理性质稳定，其气敏机理为表面控制型，灵敏性较低；γ－Fe₂O₃则属于尖晶石型结构，处于亚稳态，其气敏机理主要为体电阻控制型，灵敏性好而稳定性较差，易转变为α－Fe₂O₃而降低气敏性能。

图3 球状纳米氧化铁SEM图

目前的研究集中于优化合成条件以控制Fe₂O₃纳米材料的形貌，进而筛选得到合适的气敏材料，如α－Fe₂O₃纳米束、多孔α－Fe₂O₃纳米棒、单分散α－Fe₂O₃纳米结构、介孔α－Fe₂O₃纳米材料等。

氧化锌（ZnO）是一种典型的表面控制型气敏材料，基于ZnO的气敏元件工作温度较高且选择性较差，使其应用远不及SnO₂和Fe₂O₃等广泛。因此，制备新结构的ZnO纳米材料、对纳米ZnO掺杂改性以降低工作温度和提高选择性是ZnO气敏材料研究的重点。

目前，单晶纳米ZnO气体传感元件的开发是前沿方向之一，如ZnO单晶纳米棒气体传感器等。

图4 ZnO单晶纳米棒SEM图

五氧化二钒（V₂O₅）作为气体传感材料，其应用程度远不及上述3种金属氧化物，但它的光学透明度很高，在气敏光学传感材料方面有独到的应用。基于V₂O₅薄膜传感材料的研究比较深入，其他纳米结构也逐渐被引入到材料制备中，如研究者将V₂O₅纳米纤维从悬浮液中沉积到硅基底上制备了化学电阻型气体传感器，由于纤维导电性能优异，传感器可以在室温下操作，并且对于1－丁胺有很高的灵敏度，检测下限低于3×10^-8。

此外，研究者还将金属氧化物掺杂和基体材料纳米结构化结合起来，研究了氧化铁纳米粉体颗粒修饰的V₂O₅纳米管（Fe₂O₃/V₂O₅纳米管）的表面形态学，并在230～300℃范围内考察了Fe₂O₃/V₂O₅纳米管对乙醇的传感特性。

图5 纳米五氧化二钒SEM图

氧化铟（In₂O₃）作为一种新兴的n型半导体气敏材料，与SnO₂、ZnO、Fe₂O₃等相比，具有较宽的禁带宽度、较小的电阻率和较高的催化活性，对CO、NO₂等有很高的灵敏度，是一种普敏材料。以纳米In₂O₃为代表的多孔结构纳米材料是近期研究热点之一。研究者通过介孔硅模板结构复制的方法合成了有序介孔In₂O₃材料，所得材料在450～650℃范围内稳定性良好，因而适用于较高操作温度的气体传感器；气敏测试表明其对甲烷有灵敏响应，可用于与浓度相关的防爆监测。

图6 纳米氧化铟SEM图

氧化钨（WO₃）是过渡金属化合物半导体材料，因其具有良好的气敏特性而得到广泛研究和应用。WO₃有三斜晶系、单斜晶系和正斜方晶等稳定结构。研究者用以介孔SiO₂为模板的纳米浇铸法制备了超细WO₃纳米颗粒，发现平均尺寸为5nm的单斜晶系WO₃纳米颗粒的气体传感性能较好，电泳沉积WO₃纳米颗粒所得传感器对低浓度NO₂有很高的响应。

图7 不同形貌纳米氧化钨SEM图

通过离子交换－水热途径合成了均匀分布六方相WO₃纳米簇，气敏性能测试结果表明WO₃纳米簇气敏元件工作温度低，且对丙酮、三甲胺有很高的灵敏度和理想的响应恢复时间，显示出该材料较好的应用前景。

氧化钛（TiO₂）气体传感材料具有热稳定性良好、制备工艺简单等优点，逐渐成为研究者关注的另一种热点材料。目前对纳米TiO₂气敏传感器的研究集中于利用新兴纳米技术实现TiO₂传感材料的纳米结构化和功能化，如研究者运用同轴电纺丝技术制备了微米、纳米级空心TiO₂纤维，并研究了其对CO的传感响应；此外采用预混合停滞火焰技术，将交叉电极反复置于以四异丙醇钛为前驱体的预混合停滞火焰中，即可直接生长得到由TiO₂纳米颗粒组成的多孔膜，其对CO有灵敏响应；同时用阳极氧化方法定向生长有序TiO₂纳米管阵列，并将其应用于SO₂的检测。

图8 纳米TiO₂纤维SEM图

氧化铌（Nb₂O₅）是一种与TiO₂及ZnO类似的n型半导体氧化物，其研究和应用远不及上述几种金属氧化物广泛，然而由于对氧和氢有良好的传感性能，纳米TiO₂吸引了越来越多的关注。例如，研究者通过热氧化过程制备的单晶TiO₂纳米线可定向生长形成自立纳米线膜，将Pt电极沉积在纳米线层表面即得到Pt/Nb₂O₅纳米线H₂传感器，其在室温下对氢气有快速、高灵敏度的选择性响应。

图9 纳米氧化铌粉体

纳米金属氧化物传感材料的气敏性能可通过掺杂加以改善，掺杂不仅可以调节材料的电导率，还可以提升材料的稳定性和选择性。贵金属元素掺杂是一种常用手段，如Au、Ag等元素常被用作掺杂剂来改善纳米氧化锌的气体传感性能。纳米氧化物复合气体传感材料主要有Pd掺杂SnO₂的气体传感器、Pt掺杂对γ－Fe₂O₃气体传感器、多元素添加的In₂O₃空心球传感材料，通过控制添加剂和传感温度可实现其对NH3、H₂S和CO的选择性检测。此外，通过表面修饰，WO₃薄膜表面修饰一层V₂O₅以改善WO₃薄膜的多孔性表面结构，进而提升其对NO₂的灵敏度。

目前，石墨烯/纳米金属氧化物复合材料成为气体传感器材料研究热点，石墨烯/SnO₂纳米复合材料已广泛用作氨的检测和NO₂传感材料。