基于氧化镍的硫化氢气体传感器研究

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H2S是一种无色、易燃、剧毒的酸性气体,长期接触低浓度的H2S会对人的视觉、呼吸和中枢神经系统造成损害。近年来,氧化物半导体型气体传感器在检测H2S方面已经取得了一些进展,然而仍存在工作温度高、恢复时间长甚至无法恢复等问题,不利于传感器的实际应用,需要对传感器性能进行进一步改进。氧化镍(NiO)作为一种典型的P型半导体材料,具有优良的催化活性和稳定的电学、化学性质,并且其在空气中电阻值适中,已被报道可用于检测H2S气体。本论文以NiO为传感基体材料,通过平面转移工艺构筑纳米纤维厚膜和电化学沉积原位生长敏感薄膜两种方式,制备出一系列具有低工作温度(100-155°C)、高选择性和快速响应恢复特性的平面型H2S气体传感器。主要研究内容包括:1.采用静电纺丝技术和平面转移工艺制备了NiO纳米纤维敏感层,并系统研究了贵金属Pd和Pt修饰对NiO气敏材料的相结构、形貌结构和元素组成的影响。气敏测试结果表明,当以Pd为催化剂时,2 wt%Pd修饰的NiO纳米纤维在115°C时表现出最佳的气敏特性,对10 ppm H2S气体响应值为43.6,响应恢复时间分别为146 s和28 s,检测下限为200 ppb。当以Pt为催化剂时,0.5 wt%Pt/NiO纳米纤维在100°C下对10 ppm H2S气体响应值为53.4,检测下限为100 ppb。与Pd修饰相比,Pt催化剂降低了贵金属用量,并且传感器在更低温度下获得了更高的灵敏度和更低的检测下限。NiO纳米纤维的疏松多孔结构以及贵金属的催化效应是气体传感特性提升的主要原因。Pt修饰后获得更好的气敏响应可归因于贵金属单质Pt比Pd O具有更好的催化活性以及更小的粒子尺寸。2.厚膜H2S传感器具有较低的工作温度和检测下限,但响应恢复特性还有待进一步改进,考虑到薄膜材料更有利于气体的快速吸附和解吸,可提升传感器的响应恢复速度,我们采用电化学沉积方法,通过调控电化学沉积电压和时间,并对衬底进行适当的预处理后,在不导电陶瓷衬底上实现了NiO薄膜的原位生长。所制得的薄膜厚度约为1.8μm,并具有多孔性,有利于气体的快速扩散和响应。3.通过电化学沉积技术制备了贵金属Pd或Pt以及非贵金属Cu修饰的多孔NiO敏感薄膜,获得了具有低检测下限、快速响应恢复特性的平面薄膜型H2S气体传感器。其中,0.5 wt%Pt/NiO薄膜在140°C最佳工作温度时对10 ppm H2S的响应值为76.6,恢复时间为26 s。2 wt%Pd修饰的NiO薄膜在155°C最佳工作温度时对10 ppm H2S的响应值为515.3,恢复时间仅为7 s。基于Ni:Cu摩尔比为9:1的薄膜在140°C时对H2S的检测下限低至100 ppb,恢复时间为16 s。通过NiO敏感材料的薄膜化以及催化剂修饰获得了具有快速恢复特性的H2S传感器。本论文从掺杂剂浓度、器件结构、实验技术等方面实现了对NiO基H2S气体传感器性能的逐步改进。与已有工作相比,本论文所制备的传感器在较低温度下实现了对H2S气体的快速检测和快速可恢复性,且传感器具有良好的选择性和稳定性。所制备的厚膜传感器制备工艺简单,有利于批量生产,对H2S气体具有更低的工作温度和检测下限;而薄膜传感器具有更好的一致性和可控性,易于集成,对H2S气体具有更高的灵敏度和更快的响应恢复特性,在低浓度H2S检测领域有着巨大的应用潜力。
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