近年来，随着纳米材料科学的快速发展，混合维度范德华异质结作为一种新型材料体系，因其独特的结构和优异的物理化学性质，在纳米技术领域引起了广泛关注。这类异质结通过将不同维度的材料（如零维量子点与二维材料）相结合，不仅能够整合各组分的优势，还能产生显著的二元协同效应，从而在电子器件、光电器件和传感器等领域展现出巨大的应用潜力。二元协同效应通过材料间的相互作用，能够显著提升材料的整体性能，例如增强电荷转移、优化能带结构以及提高表面活性等。特别是在气体传感领域，二元协同效应可以大幅提高传感器的灵敏度、选择性和响应速度，为实现高精度气体检测提供了新的可能性。因此，开发具有二元协同效应的材料体系，成为当前纳米材料研究的重要方向。然而，如何通过合理的材料设计与结构优化充分挖掘二元协同效应的潜力，仍然是当前研究的重要挑战。

通过理论计算指导材料设计与结构优化，南京航空航天大学台国安教授团队和熊克教授团队联合提出了一种由二维硼烯和零维BC₂N量子点构筑的混合维度异质结，并成功开发出高性能气体传感器。该传感器在室温下对NO₂表现出卓越的灵敏度和选择性，与理论预测结果高度一致。这一研究不仅证实了硼烯-BC₂N异质结作为高性能NO2气体传感器的优异能力，还凸显了第一性原理计算在设计先进化学传感中的有效预测作用。

作者系统研究了异质结对CO、CO₂、NH₃、SO₂、NO和NO₂等气体的吸附强度和吸附后的电子性质变化。理论计算表明，BC₂N量子点的引入显著增强了硼烯对所有气体的吸附强度，其中NO₂是与异质结相互作用最强的气体分子，能够诱导分子与异质结之间最大程度的电荷转移和电子性质改变，预测该异质结对NO₂气体具有优异的灵敏度和选择性。

基于理论预测，作者制备了硼烯-BC₂N异质结气体传感器，并在室温下测试了其对多种气体的检测能力。实验结果显示，该传感器对30 ppm NO₂的灵敏度高达1170%，即使对低至0.2 ppm的NO₂仍保持108%的高灵敏度。这一优异性能验证了理论计算的准确性，同时也证明了硼烯-BC₂N异质结作为高性能NO₂气体传感器的巨大潜力。

由于硼烯-BC₂N异质结具有独特的混合维度结构和显著的二元协同效应，使其在气体传感领域表现出卓越的性能。通过理论计算与实验验证相结合，作者揭示了异质结对NO₂气体的高灵敏度响应机制：BC₂N量子点不仅增强了硼烯的表面活性，还通过调控异质结的能带结构，显著提升了电荷转移效率。这一发现不仅证实了硼烯-BC₂N异质结作为高性能NO₂气体传感器的潜力，还为设计基于混合维度异质结的下一代气体传感材料提供了新思路。该工作拓展了硼烯在气体传感领域的应用，同时为开发高灵敏度、高选择性的气体传感器奠定重要基础。

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