近年來，隨著納米材料科學的快速發展，混合維度范德華異質結作為一種新型材料體系，因其獨特的結構和優異的物理化學性質，在納米技術領域引起了廣泛關注。這類異質結通過將不同維度的材料（如零維量子點與二維材料）相結合，不僅能夠整合各組分的優勢，還能產生顯著的二元協同效應，從而在電子器件、光電器件和傳感器等領域展現出巨大的應用潛力。二元協同效應通過材料間的相互作用，能夠顯著提升材料的整體性能，例如增強電荷轉移、優化能帶結構以及提高表面活性等。特別是在氣體傳感領域，二元協同效應可以大幅提高傳感器的靈敏度、選擇性和響應速度，為實現高精度氣體檢測提供了新的可能性。因此，開發具有二元協同效應的材料體系，成為當前納米材料研究的重要方向。然而，如何通過合理的材料設計與結構優化充分挖掘二元協同效應的潛力，仍然是當前研究的重要挑戰。

通過理論計算指導材料設計與結構優化，南京航空航天大學臺國安教授團隊和熊克教授團隊聯合提出了一種由二維硼烯和零維BC₂N量子點構筑的混合維度異質結，并成功開發出高性能氣體傳感器。該傳感器在室溫下對NO₂表現出卓越的靈敏度和選擇性，與理論預測結果高度一致。這一研究不僅證實了硼烯-BC₂N異質結作為高性能NO2氣體傳感器的優異能力，還凸顯了第一性原理計算在設計先進化學傳感中的有效預測作用。

作者系統研究了異質結對CO、CO₂、NH₃、SO₂、NO和NO₂等氣體的吸附強度和吸附后的電子性質變化。理論計算表明，BC₂N量子點的引入顯著增強了硼烯對所有氣體的吸附強度，其中NO₂是與異質結相互作用最強的氣體分子，能夠誘導分子與異質結之間最大程度的電荷轉移和電子性質改變，預測該異質結對NO₂氣體具有優異的靈敏度和選擇性。

基于理論預測，作者制備了硼烯-BC₂N異質結氣體傳感器，并在室溫下測試了其對多種氣體的檢測能力。實驗結果顯示，該傳感器對30 ppm NO₂的靈敏度高達1170%，即使對低至0.2 ppm的NO₂仍保持108%的高靈敏度。這一優異性能驗證了理論計算的準確性，同時也證明了硼烯-BC₂N異質結作為高性能NO₂氣體傳感器的巨大潛力。

由于硼烯-BC₂N異質結具有獨特的混合維度結構和顯著的二元協同效應，使其在氣體傳感領域表現出卓越的性能。通過理論計算與實驗驗證相結合，作者揭示了異質結對NO₂氣體的高靈敏度響應機制：BC₂N量子點不僅增強了硼烯的表面活性，還通過調控異質結的能帶結構，顯著提升了電荷轉移效率。這一發現不僅證實了硼烯-BC₂N異質結作為高性能NO₂氣體傳感器的潛力，還為設計基于混合維度異質結的下一代氣體傳感材料提供了新思路。該工作拓展了硼烯在氣體傳感領域的應用，同時為開發高靈敏度、高選擇性的氣體傳感器奠定重要基礎。

Ultrasensitive Gas Sensor of Mixed-dimensional Heterostructures Combining Borophene and BC2N Quantum Dots: Enhanced Detection through Binary Cooperative Effects

Zhilin Zhao, Xiang Liu, Yi Liu, Zitong Wu, Prof. Ke Xiong, Prof. Guoan Tai

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202501550