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目前，氧化物半导体电阻型、电化学型、催化燃烧型等氢气传感器已被广泛研究并应用，但氢敏变色型传感器因其特殊的应用场景而备受关注。其中，基于氧化钨（WO₃）的氢敏变色传感器因其变色灵敏稳定而成为研究热点。然而，WO₃的氢敏变色机理及氧空位对其性能的影响尚不明确，制约了其性能提升和推广应用。

尽管已有研究利用WO₃的变色特性制备了氢敏材料及传感器，并指出其性能与WO₃的结晶状况和氧空位有关，但缺乏系统性研究和实验依据。因此，深入探索WO₃材料氧空位与氢敏变色性能的关系，对制备高灵敏度、高响应的变色型氢气传感器具有重要意义。

02、创新亮点

（1）氧空位浓度可控的WO₃薄膜制备

本项目采用反应磁控溅射技术，通过调控溅射气氛中的氧气浓度，成功制备了氧空位浓度可调的非晶WO₃薄膜。这一创新方法不仅实现了对WO₃薄膜氧空位浓度的精确控制，还为其氢敏变色性能的研究提供了基础。

（2）系统性研究氧空位对氢敏变色性能的影响

项目系统性地研究了WO₃薄膜中氧空位浓度变化对其氢敏变色特性的影响，揭示了氧空位浓度与薄膜颜色变化、元素价态及氢气敏感度之间的定量关系。这一研究填补了WO₃氢敏变色机理中氧空位作用机制的空白。

（3）高灵敏度氢敏变色传感器的开发

通过优化溅射工艺参数，制备了具有高氧空位浓度的非晶态Pd/WO₃薄膜，该薄膜在200 ℃最佳工作温度下，对1%浓度氢气表现出明显的色差变化（102.4），响应时间仅需15秒，显著提高了氢敏变色传感器的灵敏度和响应速度。

03、图文展示

图2  O₂-0到O₂-100%氧化钨薄膜样品XPS能谱：(a)W4f分谱；(b)O1s分谱

Fig.2 XPS spectra of O2-0 to O2-100% WO3 films: (a) W4f; (b) O1s

图3  O₂-0到O₂-100%氧化钨薄膜XRD衍射谱

Fig.3. XRD diffraction spectra of O2-0 to O2-100% WO3 films

图4  O₂-0到O₂-100%的WO₃薄膜紫外-可见波段内的透过光谱：(a) T-λ；(b) (αhν)1/2-hν

Fig.4 Transmission of WO₃ films from O₂-0 to O₂-100% in the UV-Vis: (a) T-λ; (b) (αhν)1/2-hν

图5 O₂-33%的WO₃/Pd薄膜样品的在不同温度下对1%浓度氢气的颜色响应

Fig.5 Color response of O₂-33% WO₃/Pd to 1% H2 at different temperatures

图6 O₂-0到O₂-100%的WO₃/Pd薄膜样品的对1%浓度氢气的颜色响应

Fig. 6 Color response of O₂-0 to O₂-100% WO₃/Pd films to 1% H2

04、结论

通过反应磁控溅射技术成功制备了氧空位浓度可调的非晶WO₃薄膜，并系统研究了氧空位浓度对WO₃/Pd薄膜氢敏变色特性的影响。研究发现，通过控制溅射过程中的氧气浓度可以有效调控WO₃薄膜中的氧空位浓度和薄膜颜色。当溅射氧气浓度为33%时，薄膜在空气环境中无色透明，且具有较高的氧空位浓度，此时WO₃/Pd薄膜对氢气表现出明显的颜色响应。

进一步研究表明，薄膜的最佳工作温度为200 ℃，在该温度下，1%浓度氢气可引起薄膜102.4的明显色差变化，响应时间仅需15 s。本研究不仅深化了对WO₃氢敏变色机理的理解，还为高灵敏度、高响应变色型氢气传感器的制备提供了理论依据和技术支持。

引用本文

文章发表于《功能材料》2026年第57卷第2期，欢迎引用本文：