[发明专利]一种室温检测硫化氢的复合纳米材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种能够在室温条件下对硫化氢气体具有灵敏响应的无机/有机复合纳米材料及其制备方法和应用。首先合成铜离子掺杂氧化锡，在铜离子掺杂氧化锡存在的情况下原位氧化聚合吡咯单体，形成铜离子掺杂氧化锡聚吡咯复合物，最后将制得的该无机/有机复合材料涂覆到叉指电极表面形成气敏传感膜。本发明涉及的原料易得，制备工艺简单，成本低廉。在室温条件下传感器对痕量的硫化氢气体具有灵敏的响应，且响应和恢复迅速，稳定性高。本发明为室温下硫化氢气体的实时监测提供了一种切实可行的方法。

技术领域

本发明涉及了一种能够在室温条件下对硫化氢气体具有灵敏响应的无机/有机复合纳米材料及其制备方法和和应用，属于半导体纳米材料和气敏传感技术领域。

背景技术

硫化氢（H₂S）是自然界，工业生产以及日常生活中广泛存在的一种剧毒气体，研究表明H₂S不仅能够引起器件腐蚀、催化剂中毒，而且在极低的浓度下（ppm级）都能对人体健康造成极大影响。因此，实现对H₂S的准确，快速和高灵敏的检测对环境监测，工业生产以及日常生活都显得尤为重要。

目前对于H₂S的监测手段主要分为两大类，而相比于依赖复杂昂贵的仪器设备和专业操作技术的传统方法（如ICP-OES，HG-AFS，色谱，比色分析等），气敏传感技术由于简单、快速，便携、成本低廉特点而被视为最有效的检测方式。众所周知，气敏传感器的性能主要取决于所用敏感材料。目前，关于H₂S传感材料的研究多集中于金属氧化物半导体（MOS），该类材料在一定条件下能够对较低浓度的 H₂S气体进行响应。而且通过对材料复合，掺杂，表面修饰以及形貌调控等方法，还能在一定程度上改善其传感性能。然而，受制于其气敏传感机理，MOS在较低温度（＜150 ^oC）下普遍表现为灵敏度低，选择性差，恢复速度慢。显然，高的工作温度不但降低了传感器使用寿命，同时也使得器件变得复杂化和高能耗。最重要的限制了其在一些特殊环境如低温或易燃易爆环境中的应用。与MOS不同的是，一些有机聚合物半导体如聚苯胺，聚吡咯（PPy）和聚噻吩以及他们的衍生物等能够在较低的温度条件下对气体分子有较快地响应和恢复速度。有机半导体材料也常被用于气敏材料并在气体传感领域占据重要地位。但是机械强度不足，化学稳定性不高以及灵敏度偏低是有机半导体纳米材料的普遍问题。因此．发展室温下对H₂S具有灵敏且迅速响应的新型传感材料依然是H₂S传感领域的一个挑战及重要研究方向。

发明内容

基于以上背景，本发明的目的在于提供一种在室温条件下对H₂S具有灵敏响应，快速恢复能力的无机/有机复合纳米材料及其制备方法，并提供相应的室温传感元件实现对H₂S检测。其技术原理是先通过金属离子掺杂增加无机半导体表面缺陷，提高其表面势垒，然后再与有机半导体复合，形成无机有机异质结，进一步提高其响应灵敏度。同时，与有机半导体复合后增大了表面积，提供更多的反应位点，增强气体的扩散与吸附，加速电子转移，从而极大地提高响应和恢复速度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明所述的无机/有机复合纳米材料是铜离子掺杂氧化锡聚吡咯复合物，其成分含量特征如下: Cu²⁺与Sn⁴⁺的摩尔比为0.01-0.1，聚吡咯与铜离子掺杂氧化锡的质量比为0.01-0.3。

进一步优选的，铜离子掺杂氧化锡聚吡咯复合物其成分含量特征如下：Cu²⁺与Sn⁴⁺的摩尔比为0.03-0.07，聚吡咯与铜离子掺杂氧化锡的质量比为0.05-0.2。

本发明提供的制备方法是先制备铜离子掺杂氧化锡，吡咯单体在铜离子掺杂氧化锡存在的情况下原位氧化聚合，形成铜离子掺杂氧化锡聚吡咯复合物。具体步骤如下：