二氧化锡基硫化氢气体传感材料的研究进展

1.引言

H₂S 作为一种重要的生物标志物，对其精准检测能够对疾病早期筛查和动态监测，为临床诊断和治疗提供科学依据。 H₂S 对人体健康具有显著危害，并且 H₂S 的恶臭气味还会造成严重的环境污染 1。因此， H₂S 气体的监测具有重要意义。基于半导体金属氧化物材料的电阻式电化学气体传感技术成本低、体积小以及实时检测等优势，开发 SnO₂ 气敏材料。以其化学稳定性以及独特的晶体结构等优势，使其成为气敏材料的理想选择。本文综述了 SnO₂ 基 H₂S 气敏材料的设计策略，以此为未来金属氧化物基气敏材料设计提供指导。

2.SnO₂ 基 H₂S 气敏材料

SnO₂ 气敏传感器，其表面在空气中吸附氧气分子形成 O₂^- 、O⁻等吸附氧，捕获导带电子产生耗尽层，使电阻升高 2。当检测 H₂S 时，气体与吸附氧反应释放电子，耗尽层变薄，进而检测电阻变化反应 H₂S 浓度。 SnO₂ 的气敏传感性能在很大程度上受形貌、尺寸、组成等因素影响。

不同微观结构的 SnO₂ 纳米材料表现出不同的特性。Phan 等 3 制备了由纳米晶粒组成的多孔纳米纤维状 SnO₂ 。多孔结构缩短了气体扩散路径，纳米晶粒增加了表面活性位点有利于气体的吸附和扩散。该传感器对 1ppmH₂S 的气敏响应可达 15.2；Bin 等 4 通过水热法合成了纳米球状 SnO₂ ，对 20-420ppm 的 H₂S 呈现良好的线性响应，当检测限低至 8ppm ，响应和恢复时间仅为 3.5s 和 1.5s。对此高比表面积的纳米球在 H₂S 的氧化过程中起到关键作用，极大提高了气敏性能。

将特定元素引入 SnO₂ 中，实现氧空位、导电率的精确调控，进而增强SnO₂ 气敏性能。Pankaj 等 5 研究了 Cu²⁺ 掺杂对 SnO₂ 薄膜气敏性能的影响。结果表明， Cu²⁺ 掺杂的 SnO₂传感器对 300ppmH₂S 的响应可达 63.5% ，且响应和恢复时间分别为 15s 和 95s，优于未掺杂的 SnO₂ 传感器。 Cu²⁺ 的掺杂引起了晶格畸变，增加了氧空位浓度，使更多的 H₂S 分子能够与表面活性位点发生反应，从而提高了气敏性能。

此外，负载也是提升 SnO₂ 气敏性能的关键技术，通过把 SnO₂ 与 Au、Ag 等金属或特定非金属材料结合，提高初始电势，增加氧空位含量，为气体传感开拓新路径。Moumita 等 6 通过超声处理制备负载 的 SnO₂ 纳米颗粒。实验表明，Au 纳米颗粒的引入显著提高了对硫化氢气体的传感响应，在 500ppb 时，纯 SnO₂ 对硫化氢气体的响应为 35±7% ，而 Au/SnO₂ 的响应为 250±30% ，并使恢复的时间缩短了 4 倍以上。这是因为 Au 纳米颗粒可以促进硫化氢分子在传感器表面的吸附和解离，增加了气体相互作用的活性位点，从而提升气敏性能；Zhilong 等 7 制备的氧化石墨烯负载的 SnO₂ 量子线复合材料，该传感器的检测限可达 61ppb ，对 10ppmH₂S 的响应为 17.9，氧化石墨烯的引入不仅提供了快速的电荷转移通道，还增强了表面活性和吸附氧物种的能力，二者协同作用提升了气敏性能。

3.结论与展望

目前，基于 SnO₂ 的气敏材料虽有进展，不同的形貌结构、掺杂及负载等改性手段也有效提升了传感性能，但其性能调控仍存在挑战。传统 SnO₂ 活性位点有限，气体扩散效率低，吸附与反应受限，影响传感器的气敏性能。未来，将持续探索特殊形貌设计、改进制备工艺以及提高材料稳定性，有望实现 SnO₂ 基气敏材料在 H₂S 检测领域的重大突破，为相关领域的发展提供强有力的技术支持。

注：本文系 2023 年大学大学生创新创业训练计划项目“海藻诱导单原子位点修饰金属氧化物超薄纳米片构建及其传感机理研究”（X202310452514）研究成果

参考文献

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