ACS Sensors：室温下基于锂掺杂氧化铜纳米颗粒复合石墨烯的ppb级硫化氢气体传感器

背景介绍

随着矿产能源的开发利用和现代工业的快速发展，各种环境问题日益突出，包括空气污染、土壤污染和海洋污染。其中，空气污染因其紧迫性和重大影响而成为最紧迫的环境挑战之一。硫化氢(H₂S)作为空气污染的主要成分，广泛存在于石油天然气开采和制药等领域。它是一种无色有毒气体，具有类似臭鸡蛋的强烈气味，且具有强腐蚀性，对环境质量和人类健康构成重大威胁。美国职业安全与健康管理局(OSHA)规定，硫化氢的职业接触限值为百万分之十(ppm)。当环境中硫化氢的浓度超过该阈值时，人类的嗅觉灵敏度会显著下降，进而影响中枢神经系统。此外，即使吸入少量高浓度硫化氢(H₂S)也能在短时间内致命。因此，开发具有低检测限和高灵敏度的硫化氢气体传感器对于保障人类健康和安全至关重要。

目前，已开发出多种硫化氢气体检测方法，包括质谱法、色谱法和荧光探针法。然而，这些方法的应用受到检测过程复杂、运行成本高以及检测设备体积庞大的限制。电阻式半导体气体传感器因其便携性、成本效益和结构简单等优点，在气体检测应用领域引起了广泛关注和研究兴趣。此外，随着纳米技术的进步，纳米结构金属氧化物半导体也已被开发用于气体传感应用。在这些材料中，CuO作为一种p型半导体，具有优异的电化学性能和对H₂S的强化学亲和力，使其成为理想的H₂S气体传感材料。Jung等人制备了CuO薄膜，在325 °C下对1.5 ppm H₂S的响应值为2.7。Chao等人制备了CuO空心微球，在180 °C下对20 ppm H₂S的响应值为16。然而，基于单一CuO的H₂S气体传感器存在工作温度高和灵敏度相对较低的缺点。一些研究表明，碱金属Li掺杂可以增加氧空位浓度，从而显著提高气体传感材料的气体传感性能。Mariammal等人制备了Li掺杂的ZnO纳米颗粒，显著提高了乙醇气体的检测性能。 Torrisi等人制备了锂掺杂的CuO-TiO₂薄膜，与未掺杂的CuO-TiO₂薄膜相比，该薄膜对NO₂的响应显著增强。此外，石墨烯是一种具有独特结构和优异性能的二维纳米材料。它不仅具有极高的电子迁移率和巨大的比表面积(SSA)，而且还拥有丰富的官能团和缺陷位点，这些都可作为气体分子吸附的大量活性位点。大量研究表明，将气敏材料与石墨烯复合可以显著提高气体传感响应，并有效降低气体传感器的最佳工作温度。Bai等人制备了一种CuO/rGO气体传感器，该传感器能够在室温下检测ppb级的NO₂。Huang等人制备了rGO-CuO纳米复合材料，该材料能够在室温(25 °C)下实现H₂S的实时检测。然而，目前还没有关于基于掺杂锂的氧化铜纳米粒子复合石墨烯的硫化氢气体传感器的报道。

本文亮点

1. 本工作采用溶剂热法成功制备了负载于石墨烯上的锂掺杂CuO纳米颗粒，用于高效检测H₂S气体。

2. 气体传感测试结果表明，4 mol% rGO-CuO-10 mol% Li (CCuLi-2)对H₂S气体表现出优异的传感性能。在室温下，CCuLi-2纳米复合材料对10 ppm H₂S气体的响应值高达220.1，是纯CuO的30.6倍。

3. 该传感器在检测限方面取得了突破性进展，能够以1.54的响应值检测1 ppb的H₂S气体。同时，CCuLi-2在H₂S检测中展现出高选择性和优异的长期稳定性。

图文解析

图. rGO-CuO-Li 对 H₂S 的传感机制示意图。

第一作者：Huai Wang

通讯作者：Fanli Meng，Zhenyu Yuan

通讯单位：东北大学

DOI: 10.1021/acssensors.5c04153

Ppb-Level H2S Gas Sensor Based on Li-Doped CuO Nanoparticles Compounded on Graphene at Room Temperature