利用气敏传感器检测SF6分解组分信息可评估GIS设备运行状态, 及早发现绝缘缺陷。金属掺杂的SnP3单层有着良好的吸附性能, 在气体检测领域具有应用前景。本文基于第一性原理计算并分析了Pd-SnP3单层吸附SO2、H2S、SOF2和SO2F2后体系的吸附能、态密度、能隙与解吸时间等参数, 探讨其用于气体传感器的可能性。结果表明: 在吸附性能方面, Pd-SnP3单层仅对SO2F2发生了化学吸附, 且结合态密度、差分电荷密度与转移电荷分析进一步验证了该材料对SO2F2的吸附效果明显优于SO2、H2S和SOF2; 在传感特性方面, 仅有SO2F2的吸附使体系的能隙发生了明显变化, 且该气体可在398 K及以上温度下从Pd-SnP3单层表面快速脱吸附。综合分析, Pd-SnP3单层对SO2F2具有高选择性和检测性。因此, Pd-SnP3单层具有成为检测SO2F2气敏材料的潜质。本研究为Pd-SnP3单层在气敏材料领域的应用提供理论基础。

气体传感器能够有效检测浓度低于人类嗅觉极限的有毒有害及易燃易爆等气体, 在****、环境安全、医疗诊断等领域具有重大的研究意义。其中电阻式气体传感器因其成本低廉, 普遍适用于民用气体检测而受到广泛应用。气敏材料是气体传感器的核心, 设计合成合适的气敏材料对发展高性能气体传感器至关重要。本文在简单介绍气体传感器、电阻式气体传感器以及电阻式气体传感器常用的几种传感材料的基础上, 聚焦于n型半导体SnS2气敏材料, 归纳了该材料的结构与性质, 重点阐述了提升SnS2气敏材料传感性能的方法, 包括空位工程、热激活工程、光激活工程和异质结工程, 并对SnS2气敏材料的研究趋势进行了展望。

开发一种性能优异的氨气气体传感器对人类健康和环境保护具有重要意义。利用溶胶凝胶法制备了MgFe2O4纳米材料, 并通过乙醇超声分散法与Ti3C2Tx复合, 制备了不同比例的Ti3C2Tx-MgFe2O4复合材料。随后, 采用X射线衍射、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱分析、Fourier红外光谱等方法对Ti3C2Tx-MgFe2O4复合材料的结构和形貌进行了表征, 研究了不同比例Ti3C2Tx-MgFe2O4复合材料的气敏性能。结果表明: 2.5% (质量分数) Ti3C2Tx-MgFe2O4复合材料在室温(25 ℃)对100 μL/L氨气的响应(Ra/Rg=4.7)比单一MgFe2O4纳米材料(Ra/Rg=1.3)高出3.6倍, 并且具有良好的气敏选择性和快速的响应/恢复时间(10.8 s/6.6 s)。

工业生产生活中产生的乙醛气体需要实时高效监测, 利用水热法制备了WO3纳米片和一系列Ti3C2Tx-WO3复合材料。采用X射线衍射法、扫描电子显微镜、Fourier红外光谱、X射线能谱等对制备出的Ti3C2Tx-WO3复合材料进行了结构和形貌表征。对Ti3C2Tx-WO3复合材料进行了气敏性能研究, 并且探究了碳化钛加入量对Ti3C2Tx-WO3复合材料气敏性能的影响。结果表明: Ti3C2Tx的加入能够有效提高WO3纳米片的气敏性能。当Ti3C2Tx的加入量在7%(质量分数)时, Ti3C2Tx-WO3复合材料的最佳工作温度优化为80 ℃。7% Ti3C2Tx-WO3材料在80 ℃时对100 μL/L的乙醛气体的灵敏度达到了32.9, 最低检测限为0.1 μL/L。

为了提高室温下多孔硅对NO₂气体的灵敏度，提出采用化学气相输运沉积法在多孔硅表面生长VO₂纳米颗粒，形成多孔硅基VO₂纳米颗粒复合结构，通过调节VO₂的沉积压强来改变VO₂纳米颗粒的尺寸，研究其对多孔硅基VO₂纳米颗粒复合结构室温气敏性能的影响。利用场发射扫描电子显微镜、X射线衍射仪、能谱仪和透射电子显微镜对复合结构的微观形貌、物相和晶体结构进行表征分析。实验结果表明，在沉积压强为330 Pa下获得的复合结构，对摩尔分数为5×10^-6 的NO₂的室温灵敏度达到最大（13.15），是多孔硅灵敏度的5.95倍，并具有良好的选择性。对NO₂展现出优异的气敏性能是由于粒径较小的VO₂纳米颗粒表面活性增强，与多孔硅之间形成较宽的耗尽层，从而提高了气敏性能。该研究将有助于提升多孔硅在NO₂气敏传感器中的应用。

通过检测人体呼出气体中的微量丙酮可以筛查出早期的糖尿病患者, 因此寻找能进行微量丙酮气体灵敏探测的材料是一个研究热点。本文计算4d金属杂质Mo、Ru、Rh、Ag掺杂金红石相SnO2(110)表面吸附丙酮分子后的表面电荷布居(氧化还原性能)、态密度、光学性质以及吸附稳定性, 讨论了4d金属杂质掺杂对金红石相SnO2(110)表面光学气敏传感特性的影响。研究结果发现: 各金属杂质对表面的氧化还原性能都有着不同程度的影响; 4d电子在费米能级附近形成杂质峰, 其中Ru-4d电子引入的杂质峰最大, 离费米能级最近, 对SnO2的禁带宽度改善最大; Ru掺杂对于金红石相SnO2(110)表面在可见光范围内(400~760 nm)的光学性质的改善相对于Mo、Rh、Ag掺杂也有着较大的优势; 所有的掺杂表面都能自发吸附丙酮分子, 吸附后稳定性为: Ru＞Rh＞Ag＞Mo。结论表明, Ru掺杂的SnO2作为较为有效的丙酮光学气敏探测材料, 有望通过探测人体呼出气体中的丙酮从而达到改善糖尿病的早期发现和诊断的效率。

二维金属硫化物材料具有较低的电子噪声以及极大的比表面积, 使其非常适合用作气敏材料, 因此寻求高效可控的方法制备二维金属硫化物材料是目前的研究热点。本研究使用高温化学浴法制备了不同形貌的高结晶二维六方SnS₂纳米片。采用不同手段对制备的SnS₂纳米片进行表征, 并进一步研究了SnS₂纳米片的气敏性能。结果显示: 油酸、油胺用量(体积)相同时, 产物SnS₂的形貌是均一的六角形纳米片, 其直径约150 nm, 厚度约4~6 nm。气敏测试表明该SnS₂纳米片对NO₂气体具有良好响应, 且响应过程可逆, 选择性好。其最佳工作温度为130 ℃, 响应和恢复时间分别为98和680 s。

金属氧化物半导体气敏传感器因其灵敏度高、制造成本低、测量方式简单易行等特点受到了广泛关注,在有毒有害气体实时监测方面极具应用潜力。在制备过程中, 掺杂作为常用的改性工艺之一, 得到了国内外学者的广泛关注。文中将从掺杂的角度综述制备金属氧化物半导体气敏传感器的研究进展,其中包括一元纯金属氧化物、纯金属掺杂、稀土元素掺杂、复合金属氧化物、金属氧化物掺杂等。并对现阶段存在的问题及发展趋势进行了概述。