协同效应增强室温气敏传感性能

硫化氢（H₂S）气体是一种典型的剧毒、易燃腐蚀性气体，其广泛存在于工业生产和日常生活中。而低浓度的H₂S存在于生物体内对于维持机体稳态具有重要的病理生理意义，它也被视为一种内源性气体递质。因此，开发能够灵敏，快速检测痕量H₂S气体的有效方法在环境监测、工业生产、临床诊断以及食品安全分析等方面具有重要意义。

气敏传感器是一类能够检测气体成分和含量的传感元件，由于实时监测、携带方便和易微型化的特点，气敏传感研究一直备受关注。众所周知，气敏传感器性能很大程度上取决于传感材料性质。传统的无机金属半导体气敏传感器不但缺乏选择性，而且需要在高温条件下操作，限制了其在很多领域的应用，比如低温或易燃易爆环境。而有机半导体虽能实现在较低温度下的响应，但是其灵敏度有待提高。实现低温条件下具有较高灵敏度和良好选择性的气敏传感仍然是一项挑战性的工作。

针对上述问题，近日，福州大学唐点平教授（点击查看介绍）课题组在研究过程中发现，铜离子掺杂氧化锡纳米晶与聚吡咯复合后，在室温下其电导性受H₂S气体影响显著，随后优化成分比例，将该材料涂覆到金叉指电极制成H₂S气敏传感元件。在室温条件下，对于50 ppm的H₂S，基于复合材料的传感器在灵敏度，响应速度和恢复速度三个重要指标上相比于氧化锡纳米晶制备的传感器分别提高了7、27和22倍。而且，相较于近些年报道的H₂S传感器，该传感器能够实现室温下快速灵敏检测，在综合性能上具有明显的优势。复合材料气敏传感性能的提高主要来自铜离子掺杂与聚吡咯复合的协同效应。首先适量的铜离子掺杂调控氧化锡纳米晶表面缺陷，显著地提高了表面势垒，从而降低背景信号。另一方面，掺杂的纳米晶与吡咯聚合后，在有机/无机异质结界面形成额外的电荷耗尽层，两种不同的电荷耗尽层共存，放大了暴露的环境氛围的对其影响效果。此外，基于该纳米复合物的传感膜具有较大的比表面积和较多的反应位点，加速了气体的扩散和吸附以及电子的转移。通过X射线光电子能谱，电子顺磁共振谱以及比表面积测试等表征进一步证明了以上结果。

该研究的意义不仅仅在于提供了一种性能优异，价格低廉的传感材料用于H₂S气体的实时监测，而且对纳米复合材料增强气敏传感机理的深入探究，为开发和设计新型功能材料提供了参考价值。

这一成果近期发表在Analytical Chemistry 上。

该论文作者为：Jian Shu, Zhenli Qiu, Shuzhen Lv, Kangyao Zhang, and Dianping Tang

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Cu²⁺-Doped SnO₂ Nanograin/Polypyrrole Nanospheres with Synergic Enhanced Properties for Ultrasensitive Room-Temperature H₂S Gas Sensing

Anal. Chem., 2017, 89, 11135-11142, DOI: 10.1021/acs.analchem.7b03491

导师介绍

唐点平

http://www.x-mol.com/university/faculty/9535