背景介绍

pH是化学世界中最有名和最有用的概念之一，其准确测量对化学反应、细胞活动、环境监测以及冶金、半导体、药物、造纸、纺织等工业过程中至关重要。测量pH最常见的手段是使用玻璃电极构造的pH计，但pH计存在部件易碎、信号不稳定、且需要频繁校准等不足，近几十年来，一些新型的pH传感器（如荧光型、电化学型、半导体型等）也已被广泛研究，并应用于多种环境下的pH测量。然而，对于传统的pH计及大多数新开发的pH传感器而言，其pH测量范围一般在 0-14之间，不适合强酸碱溶液的pH检测，特别是超强碱性（OH-≥ 10M）溶液。因此，设计开发可用于超强碱性溶液中pH测量的传感器很有必要。

成果简介

在本工作中，作者采用了一种电解质门控场效应晶体管（FET）策略，利用富含氧空位缺陷的具有非化学计量比的SrCoOx作为通道材料，用以检测超强碱性溶液的pH。SrCoOx通道材料可以提供大量有效的氧离子迁移位点，在电场驱动下实现了OH^-↔ O^2-+ H⁺的可逆转化。所得的电解质门控FET传感器对高浓度碱性溶液（1-20 M）显示出敏感的线性响应。值得注意的是，考虑到离子活度系数数据，该传感器能够直接指示pH值在14.0到17.0范围内的碱性溶液。这项工作为直接检测碱浓度以及极端碱性溶液中的pH值提供了巨大的可能性。

图文导读

非整比化合物SrCoOx材料晶体结构中含有丰富的氧空位（Vo），大量Vo缺陷有序地构成氧离子（O^2-）通道。利用SrCoOx晶体材料中O^2-离子的可逆的嵌入-脱出行为，可以构建场效应晶体管型pH传感器，用于探测超强碱性溶液的酸碱度。

图1. (a) SrCoOx材料的晶体结构，以及通过O^2-离子嵌入和脱出实现Vo缺陷变化的示意过程。(b) SrCoOx基FET pH传感器的示意图。SrCoOx晶体材料薄膜作为FET器件的通道材料，在电场作用下，可以实现强碱性溶液OH-中O^2-离子的可逆地、快速地嵌入脱出。SrCoOx基FET器件的电阻响应与7-14范围的溶液pH值呈现良好的线性关系。

图2. (a) SrCoOx在不同处理条件下的XRD谱图。图中提供了SrCoO_2.5和SrCoO₃的“指纹”峰变化的详细信息，左右两个小图中展示了相关区域的详细数据。(b) 检测1M NaOH溶液时，FET器件上SrCoOx薄膜的实时电阻变化。（c）对称构建SrCoOx电解池的CV曲线，电解质为1 M NaOH。(d) FET传感器中SrCoOx通道材料对pH值 7-14范围溶液的电阻响应。

SrCoOx基FET器件的电阻响应，随着碱性溶液浓度的增加（1M ~ 20 M），呈现指数型下降趋势，且具有良好稳定性，与抗离子干扰能力。器件表现出灵敏、稳定的超强碱度检测能力。

图3. (a) 基于SrCoOx材料的FET传感器对不同浓度NaOH溶液的瞬态响应行为。(b) SrCoOx基FET传感器的电阻随NaOH浓度的变化。（c）SrCoOx基FET传感器检测1 M和10 M浓度NaOH溶液的重复性测试。(d) SrCoOx基FET传感器对Na⁺、K⁺、Cl⁻、SO₄²⁻和NO₃⁻离子的抗干扰能力；图中所有盐的浓度均为1 M。

SrCoOx基FET pH传感器对14~17范围的溶液pH值呈现多元线性关系，且具有良好的稳定性与重复性。

图4. (a) SrCoOx基FET pH传感器对超强碱性NaOH溶液（pH>14）的电阻响应。(b) SrCoOx基FET pH传感器对超强碱性溶液的瞬态响应及可重复性测试。pH=14，15，16，17。

作者简介

齐高璨简介：天津理工大学材料科学与工程学院副教授，硕士研究生导师，天津市“131”创新性人才培养工程第三层次人才。主要从事低维纳米材料的结构与表面化学调控，及其在催化、能源、自清洁功能领域应用方面的研究。已在Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Small、Sep. Purif. Technol、Nanoscale等材料化学与物理方向著名杂志发表论文三十余篇。主持与参与国家自然科学基金项目三项，天津市基础研究重点项目二项，中海油等企业横向研发课题五项，获批发明专利多项。

袁志好简介：天津理工大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，天津理工大学绿色纳米技术研究院院长，国务院特殊津贴专家，天津市特聘教授。主要从事无机功能纳米材料及其绿色应用技术的研究。承担包括国家“973”项目、科技部变革性技术重大专项、国家自然基金重点和面上项目、天津市科技攻关项目等30余项，在Adv Mater、Angew Chem、Adv Func Mater、Adv Energy Mater等发表论文200余篇，合作出版学术专著3部。研究成果分别获天津市自然科学奖、“全国首届博士后创新创业大赛总决赛”金奖，全国创新创业优秀博士后。

文章信息

Zhou H, Qi G, Li W, et al. Electrolyte-gated SrCoOx FET sensor for highly sensitive detecting pH in extreme alkalinity solution. Nano Research, 2023,https://doi.org/10.1007/s12274-023-6148-2.