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泄露導致的中毒事故時有發(fā)生，進一步強化H2S的監(jiān)測預警至關重要。
盡管金屬氧化物半導體型H2S傳感器具有尺寸小、功耗低、易于布網(wǎng)等優(yōu)點，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)氧化物半導體(如SnO2、ZnO等)傳感器表面活性位點，常導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，安徽光機所團隊采用具有疏水特性的(Sr0.6Bi0.305)2Bi2O7(SBO)為母體材料，復合10 mol% ZnO，形成SBO/ZnO n-n異質(zhì)結復合傳感器。該復合材料不僅繼承了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℃，低于電工委員會苛刻的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，使復合器件具有優(yōu)異的選擇性、高響應(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天后響應下降約3%)為氧化物半導體型H2S傳感器在石化、天然氣、礦井等多領域的實際應用奠定了重要基礎。
相關成果以“基于(Sr0.6Bi0.305)2Bi2O7/ZnO異質(zhì)結的新型高性能低溫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基金、中科院合作及合肥研究院安徽光機所相關項目資助。
圖 SBO/ZnO傳感器氣敏響應特性： (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。
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