一种硫化氢气体传感材料、传感器及制备方法与使用方法技术

本发明专利技术涉及一种硫化氢气体传感材料、传感器以及制备方法与使用方法。该传感材料包括p型铜铁矿CuAlO

A hydrogen sulfide gas sensing material, sensor, preparation method and use method

【技术实现步骤摘要】
一种硫化氢气体传感材料、传感器及制备方法与使用方法
本专利技术属于硫化氢气体传感器
，具体是涉及一种硫化氢气体传感材料、传感器及制备方法与使用方法。
技术介绍
硫化氢(H2S)是一种无色、易燃、有剧毒、有刺激性气味的气体，广泛应用于石化工业，是一种重要的化学原料。H2S是一种强烈的神经毒素，对粘膜、呼吸系统、眼睛等组织有强刺激和腐蚀作用，根据中华人民共和国国家职业卫生标准(GBZ2.1-2007)《工作场所有害因素职业接触限值化学有害因素》，在一个工作日内，H2S的最高容许浓度为10mg/m3(约7.2ppm)。氧化物半导体传感器具有体积小、功耗低、成本低、响应快、芯片兼容性好等优点，有望实现厂矿、园区等重要场所的实时、联网监测预警。近些年来，基于氧化物半导体的H2S敏感材料(包括SnO2、ZnO、WO3、CuO、NiO等)受到了广泛关注、并在灵敏度等关键性能指标方面获得了较大进步，所述传感材料在使用时需要作如下设计，复杂的形貌调控——如多孔分级的ZnO中空管(Large-scalesynthesisofhierarchicallyporousZnOhollowtubuleforfastresponsetoppb-LevelH2Sgas，ACSAppliedMaterialsInterfaces2019,11,11627-11635)、掺杂——如Cr掺杂的WO3(Low-temperatureH2SdetectionwithhierarchicalCr-dopedWO3microspheres.ACSAppliedMaterialsInterfaces2016,8,9674-9683)或者异质结——如SnO2纳米线/NiO纳米颗粒异质结(GiantenhancementofH2Sgasresponsebydecoratingn-typeSnO2nanowireswithp-typeNiOnanoparticles，AppliedPhysicsLetters，2012，101，253106)、SnO2纳米线/CuO纳米颗粒异质结(Heterostructuredp-CuO(nanoparticle)/n-SnO2(nanowire)devicesforselectiveH2Sdetection.SensorsActuatorsB：Chemical2013,181,130-135)以此来增强传感材料对H2S分子的灵敏度。传统高灵敏的H2S氧化物半导体气体传感器的不足之处：第一，传感材料设计复杂；第二，传感材料设计在提升H2S的灵敏度的同时往往也会增强传感材料对其它气体分子的电学响应(多孔分级结构或纳米颗粒修饰通常会增加表面活性位点，会同时增强多种气体分子的响应)。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种硫化氢气体传感材料。该传感材料不仅对H2S分子的灵敏度高，且无需复杂的形貌调控、掺杂或者异质结设计。为了实现本专利技术的目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种硫化氢气体传感材料，该传感材料包括p型铜铁矿CuAlO2颗粒和/或CuCrO2颗粒，所述CuAlO2颗粒、CuCrO2颗粒的粒径为10nm～20μm。本专利技术的第二个目的是提供一种硫化氢气体传感器，包括p型铜铁矿敏感层以及平面型陶瓷基板，所述平面型陶瓷基板表面布置有叉指测试电极以及对p型铜铁矿敏感层进行加热的加热电极，所述p型铜铁矿敏感层涂覆在叉指测试电极上并与平面型陶瓷基板表面贴合，所述p型铜铁矿敏感层由CuAlO2颗粒和/或CuCrO2颗粒构成，所述CuAlO2颗粒、CuCrO2颗粒的粒径为10nm～20μm。进一步的技术方案，所述p型铜铁矿敏感层厚度0.5～100μm。进一步的技术方案，所述平面型陶瓷基板由高纯氧化铝陶瓷片构成，所述叉指测试电极为Pt或Au叉指测试电极，所述加热电极为Pt或Au或RuO2加热电极。本专利技术的第三个目的是提供一种所述的硫化氢气体传感器的制备方法，包括以下步骤：步骤1，将乙醇或异丙醇加入CuAlO2和/或CuCrO2颗粒中，研磨5～30min，制成p型铜铁矿敏感层浆料；另外，利用紫外臭氧或者氧等离子体清洗机对所述平面型陶瓷基片进行清洗及亲水处理；步骤2，将p型铜铁矿敏感层浆料均匀涂覆在所述平面型陶瓷基片表面的叉指测试电极上，自然晾干；步骤3，重复步骤2直到p型铜铁矿敏感层达到所需厚度；步骤4，利用所述平面型陶瓷基片表面的加热电极对所述p型铜铁矿敏感层在空气中进行老化处理，老化温度100～450℃，老化时间1～5周。进一步的技术方案，所述CuAlO2和/或CuCrO2颗粒与乙醇或异丙醇的重量比为1:(2～10)。本专利技术的第四个目的是提供一种所述的硫化氢气体传感器的使用方法，即该传感器在使用时，通过所述加热电极将所述p型铜铁矿敏感层加热至150～205℃。本专利技术的有益效果在于：通过本专利技术提供的传感材料制备获得的传感器在160℃的工作温度下，对H2S分子具有很高的灵敏度，10ppmH2S的灵敏度(RH2S/R空气)达到4600；另外选择性高，对多种常见的还原性气体如10～100ppm的NH3、乙醇、丙酮、甲醛、正己烷、二甲苯的灵敏度却小于2，比H2S的灵敏度低三个数量级，表明传感器有出色的H2S选择性；并且，传感器响应(电阻在约13秒内增加3个数量级)、恢复快(约37秒)。本专利技术p型铜铁矿敏感层不需复杂的形貌控制、缺陷调控或特殊的异质结构设计，制备方法简单。附图说明图1为本专利技术硫化氢气体传感器整体以及分解结构示意图，其中图1中标记的含义为：1-p型铜铁矿敏感层，2-加热电极，3-叉指测试电极，4-平面型陶瓷基片。图2为CuAlO2颗粒结构的形貌与结构表征，图2中(a)为扫描电子显微镜(SEM)图；图2中(b)为X射线衍射图谱，CuAlO2颗粒为铜铁矿3R与2H型复合结构，以3R型为主；图2中(c)为低倍透射电子显微镜(TEM)图；图2中(d)为高分辨透射电子显微镜(HRTEM)图，(012)晶面间距清晰可见；图2中(e)为选区电子衍射(SAED)图，衍射斑点/环对应(012)、(018)及(110)晶面。图3为CuAlO2对H2S气敏响应性能结果示意图，图3中(a)为不同温度下传感器对50ppmH2S的响应；图3中(b)为传感器灵敏度、响应、脱附时间与工作温度的依赖关系；图3中(c)为传感器在160℃的工作温度下，对10～50ppmH2S的动态响应曲线；图3中(d)为传感器灵敏度与H2S浓度的对应关系。图4中(a)为CuAlO2传感器在160℃的工作温度下，对不同气体的灵敏度；(b)为传感器典型的重复性曲线，工作温度为160℃，H2S浓度为10ppm，循环次数为8次。具体实施方式下面对本专利技术技术方案做出更为具体的说明：本专利技术硫化氢气体传感材料，包括p型铜铁矿CuAlO2颗粒和/或CuCrO2颗粒，所述CuAlO2颗粒、CuCrO2颗粒的粒径为10nm～本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硫化氢气体传感材料，其特征在于：该传感材料包括p型铜铁矿CuAlO

【技术特征摘要】
1.一种硫化氢气体传感材料，其特征在于：该传感材料包括p型铜铁矿CuAlO2颗粒和/或CuCrO2颗粒，所述CuAlO2颗粒、CuCrO2颗粒的粒径为10nm～20μm。


2.一种硫化氢气体传感器，其特征在于：包括p型铜铁矿敏感层以及平面型陶瓷基板，所述平面型陶瓷基板表面布置有叉指测试电极以及对p型铜铁矿敏感层进行加热的加热电极，所述p型铜铁矿敏感层涂覆在叉指测试电极上并与平面型陶瓷基板表面贴合，所述p型铜铁矿敏感层由CuAlO2颗粒和/或CuCrO2颗粒构成，所述CuAlO2颗粒、CuCrO2颗粒的粒径为10nm～20μm。


3.如权利要求2所述的硫化氢气体传感器，其特征在于：所述p型铜铁矿敏感层厚度0.5～100μm。


4.如权利要求2所述的硫化氢气体传感器，其特征在于：所述平面型陶瓷基板由高纯氧化铝陶瓷片构成，所述叉指测试电极为Pt或Au叉指测试电极，所述加热电极为Pt或Au或RuO2加热电极。


5.一种如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟钢，童彬，邓赞红，方晓东，王时茂，陶汝华，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34