【摘 要】
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有毒有害气体对人们的健康和工业设备造成了危害,其中H2S和NO2在工业环境中单独或混合存在,威胁性极高。金属氧化物半导体（MOS）气敏传感器由于其成本低、非常灵敏并且易于使用,被广泛用于气体检测领域。WO3作为一种典型的n型半导体材料,具有宽带隙、稳定的结构和独特的非化学计量性等特性,常常用于检测H2S和NOx等气体。但是,单一WO3在检测H2S和NO2气体时存在一些限制因素,主要表现在选择性上。
【基金项目】
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国家自然科学基金（NO.61971204,NO.51902114）；
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有毒有害气体对人们的健康和工业设备造成了危害,其中H2S和NO2在工业环境中单独或混合存在,威胁性极高。金属氧化物半导体（MOS）气敏传感器由于其成本低、非常灵敏并且易于使用,被广泛用于气体检测领域。WO3作为一种典型的n型半导体材料,具有宽带隙、稳定的结构和独特的非化学计量性等特性,常常用于检测H2S和NOx等气体。但是,单一WO3在检测H2S和NO2气体时存在一些限制因素,主要表现在选择性上。改善气敏传感器选择性主要有两种方式,一是结合模式识别对混合气体测试数据进行处理分析;二是调节气敏材料本身的制备方法。因此,本文主要从以下几个方面展开:采用水热法制备出花状WO3纳米棒传感器,并对其进行气敏测试。测试结果发现,花状WO3对还原性气体H2S和氧化性气体NO2响应较高。基于模式识别,对H2S和NO2混合气体中单一气体进行浓度预测。通过比较支持向量机、随机森林和径向基函数三种模式识别的预测结果,发现径向基函数对NO2的浓度预测平均相对误差只有9.1%。但是,对H2S浓度预测不佳。为了提升WO3对H2S气体的选择性,设计了WO3@ZIF-71（沸石咪唑酯骨架）核-壳结构的纳米复合材料。SEM及TEM结果表明,WO3@ZIF-71呈现出花状,表面包覆一层致密粗糙的ZIF-71薄膜。另外,与纯WO3相比,在250°C下WO3@ZIF-71纳米棒传感器呈现出更好的气敏性能:（1）选择性好。对20ppm H2S气体的响应由2.24提升到了19.12,提高了约9倍;对20 ppm NO2的响应从-23.70急剧下降到-5.6;（2）对20 ppm的H2S气体响应时间为118 s,加快了87%;（3）对H2S气体理论检测极限为0.697 ppm,降低了约7倍。本文从两个方面提高了WO3基纳米材料的选择性。利用模式识别对传感器测得的NO2/H2S混气响应值进行了浓度预测,并以新颖的手段成功制备出对H2S具有高选择性的WO3@ZIF-71传感器。
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