[发明专利]一种低温硫化氢气敏材料及制备方法

说明书

本发明公开了一种低温硫化氢气敏材料及其制备方法，属于电化学技术领域。解决了现有气敏材料无法实现超低温极端条件下气体探测的问题，所述材料是由连续分布的Cu₂O和周期性间隔分布的Co₃O₄构成的纳米线周期性阵列结构。制备方法包括(1)配置电解液；(2)以硅片或玻璃片为基底，在两铜箔片电极间滴加电解液；(3)在控温生长室内将电解液制冷结冰，放置20‑40分钟；(4)在电极上施加半正弦波形沉积电压使电解质沉积；(5)沉积结束后取出基底并用去离子水清洗，得到附着在基底上的Cu₂O/Co₃O₄基低温H₂S气敏材料。本发明可用于超低温极端条件下H₂S气体的探测。

技术领域

本发明涉及一种低温硫化氢气敏材料及制备方法，属于电化学技术领域。

背景技术

硫化氢(H₂S)是一种无色、易燃的酸性剧毒气体，低浓度的H₂S气体会损害眼、呼吸系统及中枢神经，浓度高时可以麻痹嗅觉神经而无气味无法被察觉，吸入少量高浓度H₂S可于短时间内致命。所以，H₂S的准确探测十分重要。而且H₂S是一种可燃性气体，爆炸下限仅为4％，所以探测时应该避免高温。因此，低温下的H₂S气体探测成为人们研究的热点。制备低温下具有H₂S气敏特性的敏感材料成为解决问题的关键。

目前，人们已经提出多种低温下H₂S气体敏感材料，包括多孔CuO纳米片、CuO-ZnO纳米棒、SnO₂纳米线-还原氧化石墨烯复合物、以及Ag₂O-SnO₂有序介孔材料等。这些材料可以实现低温(室温-100℃)条件下对H₂S的敏感响应，降低了H₂S敏感材料高温度工作的限制，实现了一定的技术进步。最近的报道显示，基于氧化铜(Cu_xO)半导体纳米结构的气敏材料可以实现H₂S室温条件下的准确测量。这主要是因为Cu_xO与H₂S相遇时会发生可逆的化学反应在材料表面生成具有金属性的硫化铜(Cu_xS)，从而导致材料导电性的巨大变化，实现对H₂S的敏感探测。但是，更低温度条件下的(甚至是低于冰点的极端温度条件下)具备H₂S气体敏感特性的材料还鲜有报道。

基于Cu_xO的异质结构纳米材料的气敏特性表现优异，但材料结构设计依然存在进步的空间。例如，Cu₂O-SnO₂纳米异质结构材料表现出非常优秀的室温H₂S感知性能。但是Cu₂O与SnO₂交界处的界面势垒在空气中(Cu₂O与SnO₂的界面势垒)和硫化氢环境中(Cu₂S与SnO₂的界面势垒)始终存在。空气中，该界面势垒对载流子输运有抑制作用，这可以明显增加材料的电阻率，也就是扩大了材料电导信号的可调节范围，对气敏特性的发挥是有利的；在H₂S环境中，材料表面生成金属性的Cu₂S，导电性会因Cu₂S导电通道的形成而升高。但是，此时Cu₂S导电通道是间断的(被SnO₂间隔开来)，Cu₂S与SnO₂之间依然存在界面势垒，该势垒对载流子的输运依然起到抑制作用。也就是说，因为一直存在的界面势垒导致导电性的变化无法实现最大化，因此无法实现气敏特性的最优化。周期性异质有序结构纳米材料普遍存在这一缺点。然而，普通多元复合纳米材料结构中又没有清晰的异质界面，这些材料结构的不足限制了气敏特性的进一步提高。