大连理工大学杨明辉教授EST: 便携式Pt/CrWN₂电化学传感器，实现污水H₂S实时监测

邃瞳科学云

2025-08-25

导读：本研究开发了一种基于Pt/CrWN2材料的电化学气体传感器。该材料凭借优异的导电性和表面稳定性，有效抑制Pt团聚并显著增强抗湿性，使传感器在复杂废水环境中仍可稳定运行长达90天。

第一作者：朱崇绘、梁彧

通讯作者：杨明辉

通讯单位：大连理工大学环境学院

论文DOI：https://doi.org/10.1021/acs.est.5c03591

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工业化和城市化的加速，使废水中硫酸盐浓度不断攀升，不仅引发酸化和生态破坏，还通过微生物作用释放出有毒恶臭的硫化氢（H₂S）。传统检测手段虽灵敏，但依赖实验室分析，无法实现实时监测。为突破这一瓶颈，大连理工大学环境学院杨明辉教授团队开发了一种基于Pt/CrWN₂材料的电化学气体传感器。该材料凭借优异的导电性和表面稳定性，有效抑制Pt团聚并显著增强抗湿性，使传感器在复杂废水环境中仍可稳定运行长达90天。实验结果显示，传感器可在3.6秒内完成响应，检测限低至50 ppb，并在污水和实际排口测试中与国家标准方法高度一致（准确率达93%）。这项研究为废水中硫化氢气体的便携式、实时监测提供了全新思路，有望推动智慧水务与环境治理的智能化发展。

背景介绍

随着工业和城市的扩张，污水中的硫酸盐含量越来越高。在微生物的作用下，这些硫酸盐会被“还原”成硫化氢（H₂S）气体。H₂S 不仅有剧烈的臭鸡蛋味，还具有很强的毒性和腐蚀性。但在环境监测中，它的意义远不止于“难闻”——H₂S 的排放量其实可以作为硫化物污染水平的有效间接指标。换句话说，监测空气中H₂S的浓度，就像给污水系统装上了一只“嗅觉灵敏的鼻子”，能实时判断水里硫化物的变化情况。传统方法（比如荧光探针、紫外分光）虽然精度高，但需要繁琐的采样和实验室操作，响应慢，不适合动态监控。相比之下，基于质子交换膜（PEM）的燃料电池气体传感器因低能耗、室温工作和便携化优势，被认为是实时监测H₂S气体的有力工具之一。

本文亮点

(1) 首次将 CrWN₂金属氮化物用作 Pt 催化剂载体，凭借优异导电性和氮相关缺陷，有效抑制 Pt 纳米颗粒团聚，显著提升了气体吸附与抗湿性能。

(2) 构建的 Pt/CrWN₂电化学传感器在检测 H₂S时表现出超快响应/恢复（3.6/3.5 s）、低检测限（50 ppb）、长效稳定（90 天）和优异选择性，远超传统 Pt/C 传感器。

(3) 结合便携式监测平台，传感器在污水样品与现场排口中实现了实时监测，结果与国家标准方法高度一致（准确率达 93%），展现了面向智慧水务的应用潜力。

图文解析

图1. 传感器构建与材料表征。（a）燃料电池型H₂S气体传感器示意；（b）不同合成温度下CrWN₂材料的XRD谱图；(c) Pt/CrWN₂和 CrWN₂的XRD谱图；(d) Pt/C 和 Pt/CrWN₂的XPS光谱；(e) Pt/CrWN₂的SEM和EDX谱图。(f) 智能传感器件照片。

图2. 传感器性能。(a) 传感器对50 ppm气体的选择性；(b) Pt/CrWN₂传感器对1-100 ppm H₂S响应-恢复曲线；(c) Pt/CrWN₂传感器的响应电流与气体浓度之间的关系；(d) Pt/CrWN₂传感器的重复性；(e)传感器的响应-恢复时间对比；(f)传感器制备工艺重复性。(g) Pt/C 和 Pt/CrWN₂传感器90天的长期稳定性测试；（h）Pt/Pt/CrWN₂气体传感器在不同湿度水平下对50 ppm H₂S的响应-恢复曲线；（i）H₂S传感器性能比较。

图3. 传感器敏感机制。(a)Pt 4f和(b)S 2p吸附H₂S后的高分辨率XPS光谱；(c)Pt/CrWN₂材料吸附H₂S后的原位FT-IR光谱；(d)Pt/CrWN₂优化后的H₂S 吸附结构模型；(e) 四种材料的吸附能和电荷转移图；(f) Pt/CrN、Pt/WN 和 Pt/CrWN₂的态密度。

图4. 实际应用测试。(a)废水测试图示意图；(b)浓度、距离与响应值关系图；(c)硫离子浓度与响应电流及对应H₂S浓度关系图；(d)距离与响应电流及对应H₂S浓度关系图；(e)电路硬件逻辑框图；(f)实验室和(g)湖泊实际监测数据；(h)人工湖不同位置H₂S浓度。

总结与展望

这项工作提出了一种兼具灵敏度、稳定性与抗干扰性的电化学气体传感新平台，展示了Pt/CrWN₂材料在复杂污水环境下的应用潜力。相比传统方法，该传感器具备低成本、便携化、实时监测等优势，有望广泛应用于污水处理厂、工业废水排放监控乃至智慧水务系统。未来，研究团队预计将进一步推动其微型化、多气体检测阵列化及与物联网结合，从而实现环境监测的全面智能化与高效化。

文献信息

Chonghui Zhu,^#Yu Liang,^# Chenshuai Han, Zhaorui Zhang, Huashuai Hu, and Minghui Yang^*. Portable Real-Time Detection of Hydrogen Sulfide in Wastewater Using a Pt/CrWN₂‑Based Electrochemical Sensor.Environ. Sci. Technol. 2025.

https://doi.org/10.1021/acs.est.5c03591

作者介绍

通讯作者：杨明辉，大连理工大学教授、博士生导师，英国皇家化学会会士（Fellow of Royal Society of Chemistry, FRSC），先后在英国利物浦大学化学系获得学士、硕士学位，2010年在英国爱丁堡大学化学系获得博士学位。2010 - 2014年在美国康奈尔大学化学系从事固体功能材料研究工作。2013年12月以国家海外高层次人才引进计划（青年项目）回国工作。2014年获得辽宁省百千万工程人才计划（万人层次），2015年获得中国科学院沈阳分院优秀青年科学家，2016年获得浙江省海外高层次人才引进计划支持，2017年获得宁波市领军拔尖人才（第一层次），作为项目负责人获得宁波市3315创新团队B类支持，2019年获得浙江省杰出青年基金支持，并同年入选英国皇家化学会会士（FRSC），2025年获得国家青年科学基金A类项目（原国家杰出青年基金）支持。主持国家自然基金面上项目（3项）、参与国家重点研发计划项目（1项）、主持中科院STS重点部署子课题项目（1项）。科研工作主要集中在固体功能材料的设计、合成、晶体结构解析，形貌控制和应用研究，以及相关材料在传感器和环境催化领域的应用研究。代表工作包括发现氮、氧在固体材料中的cis排列，固相分离法制备介孔氮化物和金属氮(氧)化物在催化和传感等方面的应用。以通讯或第一作者在Sci. Adv., Nat. Mater., Nat. Chem., Nat. Commun., Angew. Chem., JACS, Adv. Mater., CSR等期刊上发表文章289篇，申请专利70余项，H因子60，5年内引用11727次。