近日，上海交通大学环境科学与工程学院黄勇平教授团队李泽晖副教授课题组在环境甲醛气体传感领域取得重要进展。研究成果以“富氮掺杂Pt-Co双金属碳纳米管电催化剂用于选择性甲醛传感”（Rich N-Doped Pt-Co Bimetallic Carbon-Nanotube-Based Electrocatalyst for Selective Formaldehyde Sensing）为题，发表于《环境科学与技术》（Environmental Science & Technology）。研究团队创新性地发展了一种氨辅助双金属协同模板法，成功构筑出富氮掺杂铂钴双金属碳纳米管电催化剂（Pt2.32Co-N10/CNT），基于此构建的传感器对甲醛的灵敏度达商用Pt/C催化剂的4.12倍，并在复杂富醇环境中表现出10倍于商用传感器的抗干扰能力，为高性能气体传感器的发展提供了新思路。

研究简介

甲醛（HCHO）是典型的I类致癌物，对其实现高选择性、高灵敏度的快速检测，是保障室内环境质量和人体健康的关键。当前主流的电化学传感器虽具优势，但其核心商用铂（Pt）基催化剂在应用中普遍面临灵敏度不足、易受醇类等干扰物影响、长期稳定性差三大瓶颈。尽管Pt基双金属改性或氮掺杂碳载体等策略被广泛探索，但如何将催化活性、检测选择性与长期稳定性协同优化，仍是行业挑战。

针对这一挑战，研究团队提出了Pt-Co双金属协同与富氮掺杂碳纳米管（N/CNT）载体相结合的复合改性策略。通过氨辅助双金属协同模板法精准构筑的Pt2.32Co-N10/CNT催化剂，实现了三重创新：（1）抗中毒载体：富氮掺杂的碳纳米管通过酸碱相互作用优先吸附甲醛，有效阻挡甲醇等干扰物，并从电子层面弱化CO等中毒中间产物的吸附；（2）协同活性中心：Pt-Co双金属协同调制电子结构，提升了对甲醛氧化反应（FOR）的催化活性；（3）界面协同增效：一维碳纳米管骨架结构加速电子传递，N-Pt/N-Co强配位键稳定了活性位点，实现了“1+1+1>3”的效果。进一步结合丝网印刷电极制备技术，开发的便携式甲醛传感器在富醇室内环境的实际监测过程中，展现出强于商用传感器的选择性与稳定性。

图文导读

团队首先通过密度泛函理论（DFT）计算揭示了传感材料的原理：相比商用Pt/C，富氮载体和Pt-Co双金属位点的协同作用，不仅显著增强了对甲醛的选择性吸附，同时大幅弱化了CO的毒化作用（图1）。基于此，团队以ZIF-67为模板，通过调控尿素Pt2.32Co-N10/CNT，实现了双金属协同与氮调制的双重效应。

图1 Pt2.32Co-N10/CNT电催化剂的设计与合成

系列表征证实了电催化剂设计的成功（图2）。高角环形暗场扫描透射电子显微镜直观展示了Pt、Co、N元素在碳纳米管上的均匀分布与紧密结合。X射线光电子能谱则进一步证实，氮掺杂引发了电子从载体向Pt/Co金属中心的转移，优化了其电子结构，为高活性与抗中毒性提供了结构基础。

图2 Pt2.32Co-N10/CNT电催化剂的结构表征

电化学测试结果显示，Pt2.32Co-N10/CNT的甲醛氧化质量活性达商用Pt/C的5.32倍，比活性提升2.73倍（图3）。基于此构建的传感器，灵敏度高达458.62 μA·mmol/(L·cm2)，是商用Pt/C的4.12倍，检测限低至0.79 mmol/L（图4）。尤其在甲醇等干扰物存在时，该传感器的电流波动远低于商用传感器，且批量制备的传感器响应高度一致（RSD = 8.23%），展现出优异的选择性和可重复性。

图3 Pt2.32Co-N10/CNT电催化剂对甲醛的电化学性能测试

图4 Pt2.32Co-N10/CNT电催化剂对甲醛的传感性能测试

DFT计算揭示了性能提升的深层机理（图5）。商用Pt/C遵循Langmuir-Hinshelwood（L-H）机制，反应会生成易导致催化剂中毒的CO中间体；而Pt2.32Co-N10/CNT则遵循Eley-Rideal（E-R）机制，甲醛被直接氧化为甲酸根（HCOO*），无 CO *有毒中间体生成，且总反应释放7.60 eV能量，可在室温下高效进行，是兼具高活性与高稳定性的根本原因。

图5 >Pt2.32Co-N10/CNT对甲醛的选择性传感机理探究

为验证实际应用潜力，团队将电催化剂与丝网印刷电极集成，制备了便携式传感器，并在真实富醇室内环境中与商用传感器进行了正面对比测试（图6）。结果显示，在甲醛与甲醇混合气氛中，Pt2.32Co-N10/CNT传感器的假阳性波动仅1.93%，而商用传感器高达31.03%；在含酒精饮料的室内环境中，商用传感器读数易受波动，而Pt2.32Co-N10/CNT传感器读数稳定，抗干扰能力提升10倍，7天响应保留率超96%，满足WHO与我国《室内空气质量标准》（GB/T 18883-2022）的检测要求

图6 丝网印刷Pt2.32Co-N10/CNT传感器的评测及室内环境监测应用

小结

本研究通过氮配位、双金属协同与形貌工程的多维度设计，精准解决了电化学甲醛传感器灵敏度低、选择性差、易中毒的核心难题。所开发的Pt2.32Co-N10/CNT催化剂及其传感器在复杂环境中展现出超过商用器件的综合性能，为大气环境监测、室内空气质量监测、智能健康预警等应用提供了高性能、高可靠性的新方案。

作者简介

上海交通大学2025届毕业本科生赵康睿（现为香港中文大学直博生）、董轶楠博士后、清芯未来（北京）科技有限公司温雪云工程师为论文共同第一作者，上海交通大学沈雪洁博士后、李泽晖副教授和清华大学蒋靖坤教授为共同通讯作者。第一完成单位为上海交通大学。其他合作单位包括新南威尔士大学。

其他说明

本研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市自然科学基金、云南洱海湖泊生态系统国家野外科学观测研究站重点课题、区域环境安全全国重点实验室开放课题、上海交通大学深蓝计划和企业横向的经费支持。