用于检测硫化氢气体的各种气体传感器的设计与特性——综述

摘要：本文回顾了用于检测和监测硫化氢等剧毒气体的传感器设计及其气体传感特性，例如稳定性、灵敏度、响应时间、工作范围等。硫化氢是造成工业环境和区域内动植物死亡的元凶。本文基于气体浓度的工作范围和工作原理对各种气体传感器进行比较。此外，本文还讨论了每种气体传感器的各种局限性。通过本研究，我们找到了能够为硫化氢气体传感器的制造提供最佳特性的最佳材料。基于此，我们将制造一种高灵敏度、高选择性且可用于工业用途的气体传感器。

关键词：硫化氢，气体传感器，工作范围

1. 文章引言

    环境周围充斥着各种气体，其中许多气体是大气污染物，对人体健康有害。在这些气体中，硫化氢是一种无色、易燃且有毒的气体，高浓度时会发出臭鸡蛋味[1-2]。硫化氢是石油的副产品，用于生产硫磺和硫酸。人类能闻到的硫化氢气体最低浓度为8.2 ppm，但如果持续暴露于该浓度，可能会导致死亡。这种气体的主要来源是石油工业、化石燃料、煤炭工业、炼油厂、动植物废物、细菌的有机分解以及天然气。少量硫化氢气体暴露会导致鼻腔和眼睛刺激，甚至神经麻痹[3]。中等量硫化氢气体暴露会导致咳嗽、咽喉痛和胸闷，而高浓度硫化氢气体则会导致头痛、失去意识、昏迷甚至死亡。因此，许多传感器被制造出来用于检测这种气体。因此，检测这种气体的存在至关重要，因为我们的生命安全是重中之重。使用发出声音警报的系统来判断有害气体泄漏并不十分可靠。这是因为无法在准确时间内知道泄漏气体的浓度[4-5]。近年来，气体传感技术的发展促进了食品新鲜度的测量、动植物繁殖的检测以及水果成熟时间的测定。这项技术在监测硫化氢气体和空气质量方面发挥了卓越的作用。在工业领域，传感技术前景广阔，例如在管道泄漏检测、爆炸和有毒气体监测以及火灾预警方面[6-7]。用于气体检测的传感器种类繁多，例如半导体气体传感器、声学传感器、光学传感器、电化学传感器、导电聚合物传感器等等。气体传感器根据气体的化学性质进行检测。因此，气体传感器会受到具有相似化学特性的非目标气体的影响[8-11]。气体传感器的精度取决于湿度和温度。为了测量传感器的响应，通常使用传感器电阻来检测电流和电压的变化。传感器的性能取决于多种特性，例如灵敏度、选择性、检测限、响应时间和恢复时间。此外，诸如体积小、功耗低和无线等诸多因素也使传感器对用户极具吸引力[12-13]。与众多传感器相比，电化学传感器因其低能量线性输出、高分辨率、良好的选择性和重复性而极具发展前景。电化学传感器的精度非常高，而且与其他传感器相比价格较低。为了获得传感器的最佳性能，工作温度应尽可能保持稳定。工作温度较高的传感器通常用于航天应用和工业领域[14]。本文基于传感材料的表征，探讨了有毒气体检测技术的进展。

2. 传感器以及不同的特性

    接收任何信号并将其转换为其他信号的设备称为传感器。如下图所示

    传感器的性能取决于许多特性，例如灵敏度、选择性、稳定性、检测限、响应时间、恢复时间、重复性和电阻率[15]。这些特性的解释如表1所示：

3. 传感器技术

本节将讨论不同类型的传感器及其工作原理。[16-19]

表2：各类传感器的工作原理

• 电化学传感器由活性层和换能器组成。该传感器将化学信息转换为电信号，例如频率、电压和电流的变化。

• 催化燃烧传感器是一种单端口装置，其中传感材料充当加热器。这类传感器由铂丝线圈中的安装珠制成，燃烧气体与催化剂发生反应并在铂丝上燃烧。这种气体使元件的温度升高到673-723K。

  
  

• 光学气体传感器基于光波的衰减原理，是最有效的化学传感器之一。这类传感器的设计采用了光纤和涂层。在这类传感器中，分析物位于光纤/涂层的界面处，并分为两种类型：直接传感（通过分析物固有的光学特性（例如吸收）直接检测）和间接传感（以阵列形式使用）。

4. 气体传感器的应用

4.1. 基于碳材料的H2S传感器

    本文综述了利用石墨烯、还原氧化石墨烯和碳纳米纤维检测H2S气体的各种研究成果。Ovsianystkyi等人研制了一种基于石墨烯的H2S传感器，首先采用CVD法生长石墨烯，然后采用化学湿法掺杂银纳米颗粒。结果表明，银掺杂的石墨烯电阻有所增大，而碳纳米颗粒的加入则提高了传感器的稳定性，从而改善了传感器的响应[22-23]。

4.2. 基于金属和金属氧化物半导体的H2S传感器

    近年来，金属氧化物半导体材料在H2S气体检测中发挥着重要作用。由于其响应速度快，且能够在室温和低浓度下检测H2S，这些材料得到了广泛的应用。研究发现，SnO2传感器对H2S的响应会随着薄膜厚度的变化而变化。降低薄膜厚度可以提高传感器响应[24-26]。一般来说，大多数载流子位于表面，而Mo3材料表现出较差的电性能。

    电导率。当这些材料暴露于目标气体时，电导率会增加。N型氧化物半导体提高了H2S气体传感器的灵敏度，并在H2S的检测和选择性方面引起了越来越多的关注。有研究表明，基于金属氧化物半导体的H2S传感器具有高灵敏度和高选择性。如果没有半导体材料和催化剂，传感参数的提高是不可能的[27-30]。

4.3. 基于CuO的H2S传感器

    有研究表明，基于CuO的传感器对H2S气体具有良好的传感性能。Chen等人的研究表明，CuO传感器在低温下对低浓度H2S表现出良好的响应和高选择性。增加CuO-SnO2纳米复合材料中p-n结的数量是增强H2S气体传感器性能的一种有效策略。有研究表明，Pd改性传感器对H2S表现出良好的响应，而对其他气体的响应则几乎可以忽略不计。钼酸铁作为传感材料具有良好的潜力[31-33]。

4.4. 基于导电聚合物的传感器

    与电化学传感器和光学传感器相比，基于导电聚合物的化学传感器是一种很好的传感器。这是因为它们设计简单、成本低廉且性能优异。提高传感性能的最常见方法是将它们与贵金属颗粒、金属氧化物和碳基纳米颗粒（称为无机填料）杂化。添加这些填料后，检测限和响应时间会降低，从而可以与金属氧化物传感器相媲美。这些传感器可以通过改变单体、掺杂剂和导电聚合物轻松进行调整，并在硫化氢传感应用中展现出巨大的潜力[34-35]。

4.5. 基于有机-无机纳米材料的传感器

    基于有机和无机材料制造的电子器件因其尺寸小、功耗低和便携性而备受关注。由于结构、尺寸、形貌和活性表面积等因素，Wo3 对气体传感性能有着显著的影响。据报道，Wo3 纳米结构传感器能够检测到极低浓度的 H2S 气体。Ayesh 等人研究表明，当这些材料与导电离子液体结合时，其热传感和电化学传感性能会有所提升[36-37]。

5 结论

    气体传感器在技术、工业和日常生活等各个领域都发挥着重要作用。本文回顾并归纳了基于各种传感材料进行 H2S 气体电化学检测的最新进展。传感器的性能取决于各种参数，例如灵敏度、选择性、重复性、响应时间和在不同暴露气体浓度下的恢复时间。不同传感材料的工作温度不同。通过改变掺杂剂、无机填料和导电聚合物的百分比，可以轻松改变工作温度。本文讨论了不同类型的传感器及其工作原理。结果表明，传感器的灵敏度是衡量传感器性能的重要指标。因此，提高传感器的灵敏度至关重要。因此，有必要使用新型有效的传感材料来提高灵敏度。未来的研究人员应重点关注对单一或多种气体或大气污染物的气体传感应用的灵敏度，并着重解决H2S气体传感器实际应用的成本效益问题。

6 参考文献