近日，安徽光機(jī)所激光中心方曉東、孟鋼研究員團(tuán)隊(duì)研發(fā)出低溫抗?jié)穸雀蓴_，對石化等監(jiān)測應(yīng)用場景適應(yīng)度更高的硫化氫（H₂S）傳感器。

H₂S是一種易燃、易爆、有腐蝕性的窒息性劇毒氣體，可能存在于石油開采、石油提煉、天然氣井、礦井、造紙、印染、制藥、污水處理等多個行業(yè)。全國因H₂S泄露導(dǎo)致的中毒事故時有發(fā)生，進(jìn)一步強(qiáng)化H₂S的監(jiān)測預(yù)警至關(guān)重要。

盡管金屬氧化物半導(dǎo)體型H₂S傳感器具有尺寸小、功耗低、易于布網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但絕大部分H₂S傳感器需要在較高的工作溫度（~150 – 350 °C）下工作，限制了其在天然氣、石化、礦井等易燃易爆場所的應(yīng)用。此外，環(huán)境中動態(tài)變化的水汽（極性分子，濃度10² – 10⁵ ppm）常會占據(jù)氧化物半導(dǎo)體（如SnO₂、ZnO等）傳感器表面活性位點(diǎn)，常導(dǎo)致傳感器靈敏度的下降及（H₂S）選擇性的喪失。

為解決上述問題，安徽光機(jī)所團(tuán)隊(duì)采用具有疏水特性的(Sr_0.6Bi_0.305)₂Bi₂O₇（SBO）為母體材料，復(fù)合10 mol% ZnO，形成SBO/ZnO n-n異質(zhì)結(jié)復(fù)合傳感器。該復(fù)合材料不僅繼承了SBO優(yōu)異的疏水特性，削弱了環(huán)境中極性水分子在傳感器表面的吸附作用，使器件具有優(yōu)異的抗?jié)穸雀蓴_特性，同時ZnO在較低溫（75℃，低于國際電工委員會最苛刻的T6等級溫度—85℃）表面硫化后，表面生成的ZnS會通過ZnO向SBO注入大量載流子，使復(fù)合器件具有優(yōu)異的選擇性、高響應(yīng)（10 ppm H₂S靈敏度為107.6）和低檢測限（~20 ppb）。此外，器件出色的長期穩(wěn)定性（96天后響應(yīng)下降約3％）為氧化物半導(dǎo)體型H₂S傳感器在石化、天然氣、礦井等多領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。

相關(guān)成果以“基于(Sr_0.6Bi_0.305)₂Bi₂O₇/ZnO異質(zhì)結(jié)的新型高性能低溫H₂S氣體傳感器”為題，發(fā)表于Journal of Hazardous Materials雜志上。

以上研究工作由國家自然科學(xué)基金、中科院國際合作及合肥研究院安徽光機(jī)所相關(guān)項(xiàng)目資助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.12550

圖 SBO/ZnO傳感器氣敏響應(yīng)特性：

（a）選擇性；（b）長期穩(wěn)定性；（c）濕度依賴性；（d）本工作與現(xiàn)有H2S傳感器的工作溫度及靈敏度對比，背景為IEC防爆等級T3-T6。