CN115753905A - 一种用于检测h2s气体的气敏传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于检测H2S气体的气敏传感器，其特征在于，包括以下步骤：S1：通过水热法制备MoO3纳米颗粒；S2：通过水热法将MoO3纳米颗粒与CuO纳米颗粒复合得到MoO3/CuO复合材料，通过水热法将MoO3/CuO复合材料与g‑C3N4纳米颗粒复合，得到带有介孔结构的MoO3/CuO/g‑C3N4复合材料；S3：将MoO3/CuO/g‑C3N4复合材料的粉末分散于乙醇溶液中并进行超声处理，得到分散液；将分散液滴铸于SiO2/Si衬底的Au/Cr叉指电极上，经过加热干燥后形成敏感层，制备出MoO3/CuO/g‑C3N4复合材料气敏传感器。本发明所制成的气敏传感器能够在常温下进行H2S气体检测，扩大适用范围。
Description
技术领域
本发明涉及气体检测领域，尤其是指一种用于检测H2S气体的气敏传感器。
背景技术
硫化氢(H2S)作为有害气体之一，其主要与地热活动(如原油、天然气和温泉)和下水道、畜牧场、废水处理厂、垃圾填埋场和藻类的有机分解有关。低浓度的H2S将导致严重的损害，如恶心、失去嗅觉、严重的肺部、鼻子和喉咙的刺激，甚至是死亡。
根据有关规定，人体在8小时内H2S的最大可接受浓度为20ppm，而使用气体传感器来检测生物标志物是一个新的研究方向。例如，检测呼出气体中的H2S生物标志物可用于间接诊断人体口臭。然而，这需要H2S传感器具有非常高的选择性，以及在ppb级或检测下限(LOD)的高响应。金属氧化物半导体(MOS)气体传感器，如ZnO、SnO2、CuO、WO3、Fe2O3和MoO3，由于成本低、容易制备和结构简单，被广泛用于检测H2S。然而，上述基于传统金属氧化物半导体材料的H2S气体传感器存在低响应、高操作温度、选择性差和较高的LOD的缺陷。
针对上述问题，中国专利文献公开了一种基于金属氧化物半导体薄膜纳米材料的H2S气体传感器及其制备方法(申请号为201910083504.7)，其具体公开了在氧化铝陶瓷衬底的金叉指电极上制备种子层，在种子层的基础上采用电化学沉积的方法，将金属材料沉积在电极上，热退火后得到金属氧化物半导体薄膜材料。以制备的NiO/CuO薄膜纳米材料为例，对低浓度的H2S气体表现出较高的响应，在检测H2S含量方面有很好的应用前景。在该专利中采用多种金属材料复合的方式制备用于检测H2S气体的气敏传感器，以提高对H2S的灵敏度和响应度，但该气敏传感器无法在常温环境中使用，其最适检测温度为125℃，因此使用受限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于检测H2S气体的气敏传感器，克服现有的气敏传感器无法在常温条件下使用的缺陷。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种用于检测H2S气体的气敏传感器，包括以下步骤：
S1：通过水热法制备MoO3纳米颗粒；
S2：通过水热法将MoO3纳米颗粒与CuO纳米颗粒复合得到MoO3/CuO复合材料，通过水热法将MoO3/CuO复合材料与g-C3N4纳米颗粒复合，得到带有介孔结构的MoO3/CuO/g-C3N4复合材料；
S3：将MoO3/CuO/g-C3N4复合材料的粉末分散于乙醇溶液中并进行超声处理，得到分散液；
将分散液滴铸于SiO2/Si衬底的Au/Cr叉指电极上，经过加热干燥后形成敏感层，制备出MoO3/CuO/g-C3N4复合材料气敏传感器。
本发明的有益效果在于：本发明采用水热法合成了具有更大的比表面积和介孔结构的MoO3/CuO/g-C3N4复合材料，通过MoO3/CuO/g-C3N4复合材料制备得到的气敏传感器对H2S气体有显著的选择性，并且大大提升了对H2S气体的检测能力。该气敏传感器能够在室温下对H2S进行检测，并且当该气敏传感器在室温下对1000ppb H2S的最高响应度可达8.24，是MoO3/CuO(6.28)的响应度的1.31倍，该传感器的理论检测限低至1.1ppb，并在连续测试5周后仍能保持高响应，同时在较高的相对湿度下也能保持优秀的工作性能。
附图说明
图1为MoO3/CuO/g-C3N4复合材料的合成过程示意图；
图2中(a)为g-C3N4、CuO、MoO3、MC-2和MCC-2的XRD图；(b)为g-C3N4和MCC-2的FT-IR光谱图；
图3中(a)和(b)为MC-2气敏传感器的低倍和高倍SEM图像，(c)-(d)MCC-2气敏传感器的低倍和高倍SEM图像；
图4中(a)-(c)为MC-2的TEM和HRTEM图像,(d)-(f)为MCC-2的TEM和HRTEM图像；
图5中(a)和(b)分别为MoO3的TEM和HRTEM图像，(c)和(d)分别为CuO的TEM和HRTEM图像，(e)和(f)分别为g-C3N4的TEM和HRTEM图像；
图6中(a)为g-C3N4、MoO3、MC-2和MCC-2的全光谱，(b)为Mo的XPS图谱，(c)为O的XPS图谱，(d)为Cu的XPS图谱，(e)为C的XPS图谱，(f)为N的XPS图谱；
图7中(a)为MoO3的Mo 3dXPS光谱图，(b)为MoO3的O 3d XPS光谱；
图8中(a)为MC-2的N2吸附-解吸等温线(插图为孔径分布曲线)，(b)为MCC-2的N2吸附-解吸等温线(插图为孔径分布曲线)；
图9为MoO3纳米颗粒的N2吸附-解吸等温线(插图为孔径分布曲线)；
图10中(a)为MC-1、MC-2、MC-3、MCC-1、MCC-2和MCC-3气敏传感器的归一化反应曲线，(b)为MC-2气敏传感器在室温下对不同浓度的H2S的电阻变化曲线，(c)MCC-2气敏传感器在室温下对不同浓度的H2S的电阻变化曲线，(d)MC-2和MCC-2气敏传感器在室温下暴露于不同浓度的H2S的动态响应曲线，(e)MC-2和MCC-2气敏传感器在气体浓度的响应度拟合曲线，(f)MC-2和MCC-2传感器在RT下对50ppb H2S气体的反应和恢复时间曲线；
图11中(a)为MCC-2传感器对100ppb H2S的重复性曲线，(b)为MCC-2传感器对1000ppb的重复性曲线，(c)为MCC-2传感器在RT下对1000ppb的各种干扰气体的选择性，(d)为MCC-2传感器在RT下对1000ppb H2S的长期稳定性；
图12中(a)和(b)分别为在不同湿度下MCC-2传感器在RT下对1000ppb H2S的气体感应反应的影响；
图13为MCC-2传感器在RT下对H2S气体的气体传感机理示意图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
请参照图1-图13，一种用于检测H2S气体的气敏传感器，包括以下步骤：
S1：通过水热法制备MoO3纳米颗粒；
S2：通过水热法将MoO3纳米颗粒与CuO纳米颗粒复合得到MoO3/CuO复合材料，通过水热法将MoO3/CuO复合材料与g-C3N4纳米颗粒复合，得到带有介孔结构的MoO3/CuO/g-C3N4复合材料；
S3：将MoO3/CuO/g-C3N4复合材料的粉末分散于乙醇溶液中并进行超声处理，得到分散液；将分散液滴铸于SiO2/Si衬底的Au/Cr叉指电极上，经过加热干燥后形成敏感层，制备出MoO3/CuO/g-C3N4复合材料气敏传感器。
本发明的工作原理在于：
将MoO3纳米颗粒、CuO纳米颗粒以及g-C3N4纳米颗粒复合得到带有介孔结构的MoO3/CuO/g-C3N4复合材料，采用扩大比表面积的方式提高其对于H2S气体的检测能力。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：本发明采用水热法合成了具有更大的比表面积和介孔结构的MoO3/CuO/g-C3N4复合材料，通过MoO3/CuO/g-C3N4复合材料制备得到的气敏传感器对H2S气体有显著的选择性，并且大大提升了对H2S气体的检测能力。该气敏传感器能够在室温下对H2S进行检测，并且当该气敏传感器在在室温下对1000ppb H2S的最高响应度可达8.24，是MoO3/CuO(6.28)的响应度的1.31倍，该传感器的理论检测限低至1.1ppb，并在连续测试5周后仍能保持高响应，同时在较高的相对湿度下也能保持优秀的工作性能。
进一步地，步骤S1具体为，将MoCl5粉末溶解在的乙醇/去离子水混合物中，得到混合溶液；
搅拌均匀后，将混合溶液转移到容器中，在180～200℃下加热8～10小时；
反应结束后，通过真空过滤收集沉淀物，用去离子水和无水乙醇清洗沉淀物至少两次；
将所得沉淀物在70～90℃的温度中干燥7～9小时，并在400～500℃下退火1～2小时，最终获得MoO3纳米颗粒。
进一步地，乙醇/去离子水混合物中去离子水与乙醇的比例为2∶1～3∶1。
进一步地，乙醇/去离子水混合物中去离子水与乙醇的比例为4∶1。
进一步地，步骤S2具体为，将制备好的MoO3纳米颗粒溶解在去离子水中，加入Cu(CH3COO)2，使CuO与MoO3的质量比为2～7wt％；
搅拌后，将混合溶液转移至容器中，在180～200℃下加热22～24小时；
冷却至室温后，加入g-C3N4粉末，使g-C3N4与混合溶液的质量比为2～10wt％；
搅拌后进行超声处理，通过真空过滤的方式收集沉淀物，用去离子水和无水乙醇冲洗并收集沉淀物；
在90～100℃的温度中干燥8～9小时，得到带有介孔结构的MoO3/CuO/g-C3N4复合材料。
由上述描述可知，将Cu(CH3COO)2与MoO3混合得到混合溶液，由于采用水热法进行制备，因此Cu(CH3COO)2将转化为氧化铜，并加入g-C3N4粉末，制得带有介孔结构的MoO3/CuO/g-C3N4复合材料，其中，由于该复合材料中具有铜离子，而铜离子会与硫化氢反应而产生硫化铜，进而极大地降低气敏传感器的电阻，使得气敏传感器在常温条件下能够进行使用。
进一步地，CuO与MoO3的质量比为2、5或7wt％。
进一步地，g-C3N4与混合溶液的质量比为2、6或10wt％。
进一步地，MoO3纳米颗粒与去离子水的质量比为1∶170～1∶150。
进一步地，MoO3纳米颗粒与去离子水的质量比为1∶160。
进一步地，所述步骤S3具体为当敏感层形成后，在叉指电极的两端用铜线电连接，并用银浆固定，制备出MoO3/CuO/g-C3N4复合材料气敏传感器。
本发明的实施例一为：
如图1(a)所示，一种用于检测H2S气体的气敏传感器，包括以下步骤：
S1：通过水热法制备MoO3纳米颗粒；具体为，将0.25g MoCl5粉末溶解在40mL的乙醇/去离子水混合物中，得到混合溶液；搅拌1h后，将混合溶液转移到100mL内衬有聚四氟乙烯的不锈钢高压釜中，在180℃下加热10小时；反应结束后，通过真空过滤收集沉淀物，分别用去离子水和无水乙醇清洗沉淀物至少两次；将所得沉淀物在80℃的温度中干燥8小时，并在450℃下退火1小时，最终获得MoO3纳米颗粒。
S2：通过水热法将MoO3纳米颗粒与CuO纳米颗粒复合得到MoO3/CuO纳米复合材料，通过水热法将MoO3/CuO纳米复合材料与g-C3N4纳米颗粒复合，得到带有介孔结构的MoO3/CuO/g-C3N4复合材料；具体为，将制备好的MoO3纳米颗粒溶解在去离子水中，加入Cu(CH3COO)2，使CuO与MoO3的质量比为2、5和7wt％，并根据上述质量比对所制成的MoO3/CuO纳米复合材料分别命名MC-1、MC-2和MC-3；搅拌后，将MC-2混合溶液转移至容器中，在180℃下加热24小时，得到MoO3/CuO纳米复合材料；冷却至室温后，加入g-C3N4粉末，使g-C3N4与MC-2混合溶液的质量比为2、6和10wt％，并对上述质量比所制成的MoO3/CuO/g-C3N4纳米复合材料分别命名为MCC-1、MCC-2和MCC-3；搅拌后进行超声处理1小时，通过真空过滤的方式收集沉淀物，分别用去离子水和无水乙醇冲洗多次并收集沉淀物；在90℃的温度在干燥箱中干燥8小时，得到带有介孔结构的MoO3/CuO/g-C3N4纳米复合材料。其中，MoO3纳米颗粒与去离子水的质量比为1∶160，具体的，MoO3纳米颗粒的添加量为0.25g，去离子水的添加量为40mL。此外，可采用步骤S2的方法制备CuO纳米颗粒。
S3：将MoO3/CuO/g-C3N4复合材料的粉末分散于乙醇溶液中并进行超声处理，得到分散液；将分散液滴铸于SiO2/Si衬底的Au/Cr叉指电极上，在加热板上100℃加热1小时干燥后形成敏感层，在叉指电极的两端用铜线电连接，并用银浆固定，制备出MoO3/CuO/g-C3N4复合材料气敏传感
上述MoO3/CuO/g-C3N4复合材料包括MoO3纳米颗粒、CuO纳米球和g-C3N纳米片，MoO3纳米颗粒和CuO纳米球随机附着于g-C3N纳米片的表面。
除非特别说明，本发明所有测试环境都在室温下进行，相对湿度(RH)为45％。在实验室中，测量气体的浓度由MF2600仪表控制，气敏传感器的电阻由Keithley 2400半导体参数分析仪实时记录。
另外，“响应”(S)为传感器的电阻变化率，由下式定义:S(％)＝(Rg-Ra)/Ra×100或者S(％)＝(Ra-Rg)/Rg×100,其中，Ra表示传感器在空气中的电阻，Rg表示传感器在被测气体中的电阻。响应时间(Tres)和恢复时间(Trec)是指传感器电阻变化到平衡状态的90％所花费的时间。
用XRD分析了合成产物的组成和相结构，在图2(a)中，位于12.7°和27.6°的特征峰分别对应于g-C3N4的(100)和(002)平面。其中，27.6°处的衍射峰是共轭芳香族化合物的层间堆积的特征峰，衍射峰的2θ分别为32.5°、35.4°、38.7°、48.7°、53.4°、58.3°和61.5°，分别对应单斜晶CuO的(100)、(11-1)、(111)、(20-2)、(020)、(202)和(11-3)面。特征峰位于2θ＝12.7°、23.6°、25.7°、27.3°、33.7°和39.0°，分别与α-MoO3的(002)、(100)、(040)、(021)、(111)和(150)面有关。MC-2和MCC-2的XRD图像除了MoO3的特征峰外，没有显示出g-C3N4和CuO的明显特征峰，一方面g-C3N4和CuO的含量可能太低，也可能是因为一些特征峰与MoO3的特征峰重叠。为了进一步确认CuO和g-C3N4的存在，在图2(b)中用FT-IR来探索形成的样品的功能团，从g-C3N4和MCC-2的曲线观察，纯C3N4和MCC-2在810cm-1和730cm-1附近的峰与S-三嗪单元结构有关，在1239cm-1～1634cm-1范围内的峰归于C-N和C＝N拉伸振动模式，位于约3158cm-1的吸收峰与N-H键的拉伸振动有关。重要的是，g-C3N4的吸收峰被MCC-2良好地继承。此外，MCC-2的曲线在大约450cm-1处显示了一个尖锐的吸收峰，该吸收峰与Cu-O特征峰有关。在584cm-1和876cm-1的特征峰是二配位氧原子(Mo2-O)的对称拉伸振动，900cm-1的特征峰是三配位氧原子(MO3-O)的不对称拉伸振动，999cm-1的特征峰是末端组氧原子(MO＝O)的对称拉伸振动。
此外，在3468cm-1处的宽吸收峰归功于MCC-2纳米复合材料表面吸附的水分子的O-H键的拉伸振动。这些吸收峰的良好匹配证明MoO3被CuO和g-C3N4成功修饰，MCC-2纳米复合材料也被成功制备。
用FESEM观察了样品的形态。在图3(a)-图3(b)中，可以清楚地看到MoO3和CuO呈现球状结构，为了更好地进行比较，通过FESEM观察原始MoO3和CuO的形态，在图3(c)-图3(d)中，g-C3N4呈现出片状结构，MoO3纳米颗粒和CuO纳米球随机地附着在g-C3N4纳米片的表面。
利用配备EDX的TEM和HRTEM了解样品的结构和元素分布信息，如图4(a)-图4(f)所示，形成的样品的形态得到了进一步验证，与SEM的结果一致。从图4(c)可以看出，MoO3和CuO界面之间形成的异质结有利于载流子迁移以加速材料表面的氧化还原反应。
图5是原始MoO3、CuO和g-C3N4的TEM和HRTEM图像，呈现出与MC-2和MCC-2中的形态一致。揭示了0.38nm的平面间距对应于MoO3的(110)平面，而0.26nm的平面间距对应于CuO的(111)平面。
XPS被用来分析合成材料的表面化学状态。在图6(a)中，完整的XPS光谱显示，Mo、O、Cu、C和N元素都存在于样品中。图6(b)和图7(a)是MC-2复合材料、MCC-2复合材料和MoO3纳米粒子复合材料的Mo 3d光谱，结合能量为232.76eV/233.08eV/232.63eV和235.90eV/236.23eV/235.76eV,分别对应于Mo 3d5/2，Mo3d3/2，233.06eV/233.50eV/232.48eV和236.06eV/236.65eV/235.68eV的峰对应于Mo5+。此外，MoO3纳米粒子、MC-2和MCC-2三种样品的Mo6+峰的能量间隔为3.13～3.15eV,这表明MoO3的成功制备。与MoO3纳米颗粒(28.97％)和MC-2(10.52％)相比，Mo5+在MCC-2中的含量(39.67)更高，表明MCC-2有更多的氧空位缺陷。图6(c)和图7(b)可以看出，MoO3纳米粒子和MC-2在530.40eV/530.87eV和531.21eV/531.42eV的O1s峰可以归结为晶格氧(OL)和吸附氧(Oc),Oc占29.22％/47.74％。对于MCC-2,O 1s峰在530.31eV、531.71eV和533.15eV处被拟合为三个峰，分别对应于OL、氧空位(Ov)和Oc。氧空位的出现可以解释为g-C3N4的添加增加了金属氧化物中氧原子的分离，形成新的化学键。同时，MCC-2中更多的氧空位有利于更多的氧电离，进一步形成吸附的氧离子，从而使氧化还原反应更容易，提高MCC-2传感器的气敏性能。在图6(d)中，MC-2和MCC-2中Cu 2p的信号峰在结合能为234.71eV/232.10eV和254.46eV/251.85eV，分别对应于Cu 2p3/2和2p1/2，各自卫星峰的出现证明Cu2+在MC-2和MCC-2中处于顺磁状态。图6(e)是C1s的XPS光谱图，284.6eV的峰对应sp2 C-C键，286.18eV的峰与C-N基团的组合成对，288.37eV的峰归于sp2 C原子来自芳香环C＝N。图6f对MCC-2纳米复合材料的N1s XPS谱进行了拟合，在396.05eV、398.46eV和401.36eV的三个以合峰属于C＝N-C键，N-(C3)和N-H键的sp2杂化氮。此外，XPS光谱中的信号转移是由于异质结的相互作用和三元MCC-2纳米复合材料中载流子之间的转移。
对于气敏材料来说，比表面积越大常常代表气体吸附/解吸性能越好。图8和图9显示了所制备材料的N2吸附解吸等温线和相应的孔径分布。样品的等温线都属于IV型，具有明显的回滞环。此外，2.38nm、3.04nm和4.22nm分别对应于MoO3纳米颗粒、MC-2和MCC-2的孔径，证明合成的样品为介孔结构。MoO3、MC-2和MCC-2纳米颗粒的比表面积分别为11.71、12.39和35.54m2/g。与MoO3纳米粒子和MC-2相比，MCC-2具有更大的比表面积和孔径，这为气体的吸附扩散提供了更多的活性位点，以提高传感器的气敏性能。
图10是为了更好分析合成产物的响应和回收率特征。图10(a)是MC-1、MC-2、MC-3、MCC-1、MCC-2和MCC-3这六种气敏传感器在RT下对50～1000ppb H2S的归一化响应曲线。结果显示，在所有浓度的H2S下，MCC-2传感器的反应都是最高的。图10(b)-(c)说明MC-2和MCC-2传感器在RT下对50～1000ppb H2S的电阻变化曲线，这两种传感器的Rg随着H2S浓度的增加而下降，表明是n型响应行为。此外，如图10(d)所示，当气敏传感器暴露于50ppb H2S时，MCC-2传感器的响应(1.55)是MC-2传感器(1.33)的1.16倍，而当气敏传感器暴露于1000ppb H2S时，MCC-2传感器的响应(8.24)是MC-2传感器(6.28)的1.29倍。MCC-2传感器对任何浓度的H2S的反应都优于MC-2传感器。在图10(e)是H2S浓度在MCC-2和MC-2气敏传感器的反应之间的衬托曲线。这两个传感器的反应与H2S浓度显示出良好的线性关系，MCC-2和MC-2传感器的拟合方程为Y1＝0.0068X1+1.411833,
和Y2＝0.00538X2+1.15584,
其中Y表示反应，X表示H2S的浓度，R2表示回归系数。两种传感器的理论LOD可以根据
其中，S为标准差，N为数据点的数量。对于MCC-2传感器，理论上的
对于MC-2传感器，理论上的
可以得出结论，MCC-2复合传感器对于检测ppb级的H2S是完美的。从图10(f)可以看出，MC-2复合传感器和MCC-2复合传感器在50ppb H2S时的响应恢复时间分别为60.5/215s和49/210s,表明经过g-C3N4的修饰后，MCC-2传感器的响应恢复性能比MC-2传感器更好。
在图11(a)-(b)中，记录MCC-2传感器的电阻在100ppb和1000ppb H2S下的5个周期。MCC-2传感器的电阻在每个循环中都能基本恢复到初状态，表明MCC-2传感器具有较好的可重复性。为了探索MCC-2传感器在实际应用中的选择性。选择了五种气体，包括SO2、NH3、CO、H2和H2S来测试传感器的选择性，如图11(c)所示。MCC-2传感器对H2S的响应远远高于其他四种气体，说明MCC-2传感器具有良好的选择性。造成这种现象的原因可能是MCC-2的CuO会与H2S反应生成CuS,导致电阻大幅降低，从而提高了传感器的响应。图11(d)是MCC-2传感器稳定性的变化曲线。结果显示，MCC-2传感器在35天内仍有较高的响应，而且MCC-2传感器的响应波动非常小，说明MCC-2传感器在RT下检测H2S气体具有良好的长期稳定性。
在实际气体检测过程中，不同相对湿度条件下传感器的性能也会不同。为了验证MCC-2传感器在高相对湿度下的可靠性(如检测呼出的气体)，图12是MCC-2传感器在45％、65％和85％相对湿度下的反应。当相对湿度达到65％时，MCC-2传感器的反应从8.24下降到6.28，几乎是45％相对湿度的原始响应的76.2％。当相对湿度达到85％时，响应下降到6.28，仍然是45％相对湿度原始响应的72％以上。结果显示，传感器在相对高湿度下有很高的响应。当相对湿度较高时，H2O分子将被吸附在传感器的表面。一方面，H2O分子将阻止O2的化学吸附，并使O2难以形成氧物种(O2-或O-)。另一方面，H2O分子也将占据H2S吸附扩散所需的位置，大大降低传感器的反应，延长传感器的恢复时间。此外，吸附的H2O分子将与化学吸附的O-以形成OH-和H+离子，而形成的离子将覆盖在材料表面，极大地削弱传感器的气敏性能。MCC-2传感器即使在85％的相对湿度下也能保持较高的响应，可以应用在极高的湿度环境中。
如图13所示，当MCC-2传感器接触空气时，空气中的O2分子将迅速吸附在传感器表面，形成吸附氧O2(ads)。然后，被吸附的氧气将捕获电子，形成(O2 - (ads)),同时，MCC-2传感器中的氧空位也会使吸附的氧气形成O原子，而O原子又会消耗电子形成O- (ads)上述反应加速了电子的消耗，这导致了更高的屏障，更厚的耗尽层和更高的电阻。
当H2S被注入腔体时，H2S分子可以迅速吸附在敏感层的表面，形成H2S(ads)。H2S(ads)与之前形成的吸附氧(O-或O2-)形成水蒸气和SO2,并释放电子。上述氧化还原反应的过程可以使导电通道变宽，势垒变低，耗尽层变窄，从而导致电阻的降低。同时，CuO也可以与H2S反应，形成CuS(CuS表现出金属特性)，从而导致电阻进一步下降。由于CuS在空气中是不稳定的，会慢慢氧化成CuO，进而实现气敏传感器在常温下的正常检测。
MCC2传感器具有更高的比表面积，这可以为气体的吸附扩散创造更多的活性区域。此外，MCC-2传感器有更多的吸附氧和氧空位，可以使O2(ads)最终形成O- (ads)并加速反应。同时，MCC-2之间的异质结也会加速电荷载体的迁移，从而加速氧化还原反应的进行，是一种协同效应，导致MCC-2传感器的气敏性能得到显著改善。
综上所述，本发明提供的一种用于检测H2S气体的气敏传感器，采用三种金属材料复合的方式，扩大MoO3/CuO/g-C3N4复合材料的比表面积，进而提高气敏传感器对H2S气体的灵敏度，由于铜离子的存在，将与H2S气体发生反应，进而达到降低电阻的目的，实现该气敏传感器在常温下的检测。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于检测H2S气体的气敏传感器，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过水热法制备MoO3纳米颗粒；
S2：通过水热法将MoO3纳米颗粒与CuO纳米颗粒复合得到MoO3/CuO复合材料，通过水热法将MoO3/CuO复合材料与g-C3N4纳米颗粒复合，得到带有介孔结构的MoO3/CuO/g-C3N4复合材料；
S3：将MoO3/CuO/g-C3N4复合材料的粉末分散于乙醇溶液中并进行超声处理，得到分散液；
将分散液滴铸于SiO2/Si衬底的Au/Cr叉指电极上，经过加热干燥后形成敏感层，制备出MoO3/CuO/g-C3N4复合材料气敏传感器。
2.根据权利要求1所述的一种用于检测H2S气体的气敏传感器，其特征在于，所述步骤S1具体为，将MoCl5粉末溶解在的乙醇/去离子水混合物中，得到混合溶液；
搅拌均匀后，将混合溶液转移到容器中，在180～200℃下加热8～10小时；
反应结束后，通过真空过滤收集沉淀物，分别用去离子水和无水乙醇清洗所述沉淀物至少两次；
将所得沉淀物在70～90℃的温度中干燥7～9小时，并在400～500℃下退火1～2小时，最终获得MoO3纳米颗粒。
3.根据权利要求2所述的一种用于检测H2S气体的气敏传感器，其特征在于，所述乙醇/去离子水混合物中去离子水与乙醇的比例为2:1～3:1。
4.根据权利要求2所述的一种用于检测H2S气体的气敏传感器，其特征在于，所述乙醇/去离子水混合物中去离子水与乙醇的比例为4:1。
5.根据权利要求1所述的一种用于检测H2S气体的气敏传感器，其特征在于，所述步骤S2具体为，将制备好的MoO3纳米颗粒溶解在去离子水中，加入Cu(CH3COO)2，使CuO与MoO3的质量比为2～7wt％；
搅拌后，将混合溶液转移至容器中，在180～200℃下加热22～24小时；
冷却至室温后，加入g-C3N4粉末，使g-C3N4与混合溶液的质量比为2～10wt％；
搅拌后进行超声处理，通过真空过滤的方式收集沉淀物，用去离子水和无水乙醇冲洗并收集沉淀物；
在90～100℃的温度中干燥8～9小时，得到带有介孔结构的MoO3/CuO/g-C3N4复合材料。
6.根据权利要求4所述的一种用于检测H2S气体的气敏传感器，其特征在于，所述CuO与MoO3的质量比为2、5或7wt％。
7.根据权利要求4所述的一种用于检测H2S气体的气敏传感器，其特征在于，所述g-C3N4与混合溶液的质量比为2、6或10wt％。
8.根据权利要求4所述的一种用于检测H2S气体的气敏传感器，其特征在于，所述MoO3纳米颗粒与去离子水的质量比为1:170～1:150。
9.根据权利要求4所述的一种用于检测H2S气体的气敏传感器，其特征在于，所述MoO3纳米颗粒与去离子水的质量比为1:160。
10.根据权利要求1所述的一种用于检测H2S气体的气敏传感器，其特征在于，所述步骤S3具体为当敏感层形成后，在叉指电极的两端用铜线电连接，并用银浆固定，制备出MoO3/CuO/g-C3N4复合材料气敏传感器。
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| CN116124850A (zh) * | 2023-04-17 | 2023-05-16 | 北京深谋科技有限公司 | 一种电极复合材料的制备方法及应用 |
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