一种基于MoO3/CuO/g-C3N4的室温ppb级H2S传感器

A room-temperature ppb-level H2S sensor based on MoO3/CuO/g-C3N4 via a simple synthesis

一种基于MoO3/CuO/g-C3N4的室温ppb级H2S传感器

文献来源:期刊：Sensors and Actuators B: Chemical

作者：ChengFeng等

通讯作者：HainengBai；FuqiangGuo

机构：昌吉学院物理系，伊力师范学院物理科学与技术学院新疆凝聚态相变与微结构实验室，周口师范学院物理与通信工程学院

简介

作者提出了一种基于MoO3/CuO/g-C3N4 (MCC)的ppb级H2S传感器。表征结果表明，与MoO3和MoO3/CuO相比，MCC-2具有更大的比表面积、更多的吸附氧和氧空位。气敏测试结果表明，室温下MCC-2传感器对1000 ppb H2S的响应达到8.24，是MoO3/CuO(6.28)的1.31倍。更重要的是，MCC-2传感器的理论检测限低至1.1 ppb，是近期H2S传感器中最低的。此外，MCC-2传感器具有可靠的重复性，对H2S具有良好的选择性，在连续测试5周后仍然保持高响应。同时，MCC-2传感器还在高相对湿度下保持出色的响应。优良的气体传感性能是由于较大的比表面积，可以使更多的气体吸附在材料表面。此外，氧空位降低了吸附目标气体所需的能量，MoO3/CuO/g-C3N4形成的异质结加快了载流子迁移。

材料的制备

 MoO3的合成

将 MoCl5溶于乙醇/DIW混合物中形成溶液(乙醇/DIW的比例为1:4)。完全搅拌1小时后，将溶液转移到100ml的反应釜中，在180℃下加热10小时。反应结束后，用真空过滤收集沉淀，并用去离子水和酒精洗涤3 ~ 5次。然后将收集到的沉淀放入烘箱中，80℃干燥8 h。最后在450℃下退火1 h。

MoO3/CuO/g-C3N4 的合成

首先，将制备好的 MoO3纳米颗粒加入到去离子水中搅拌1 h ，然后加入适量Cu(CH3COO)2，使CuO/MoO3的质量比理论上保持在2,5和7wt %(对应的样品分别命名为MC-1、MC-2和MC-3)。搅拌1小时(350 rpm)后，将混合溶液倒入50 mL反应釜中，180°C加热24小时。当高压反应器自然冷却到RT时，将MC-2混合溶液倒入烧杯中。随后加入适量的g-C3N4粉末，使g-C3N4/MC-2的质量比理论上达到2,6,10 wt%(对应的样品分别命名为MCC-1、MCC-2和MCC-3)，搅拌3h (350 rpm)，然后超声3h(工作频率为100hz)。用真空过滤法收集沉淀，用去离子水和酒精洗涤3 ~ 5次。最后，将MoO3/CuO/g-C3N4纳米复合材料放入90°C干燥8 h，成功制备了MoO3/CuO/g-C3N4纳米复合材料。

结果与讨论

通过电镜图象可以看出g-C3N4呈片状结构，MoO3纳米粒子和CuO纳米球随机附着在g-C3N4纳米片表面。MoO3和CuO界面之间形成异质结有利于载流子迁移，加速材料表面的氧化还原反应。

XPS图像分析可知，氧空位的出现可以用g-C3N4的加入来解释，它增加了金属氧化物中氧原子的分离以形成新的化学键。重要的是，MCC-2中更多的氧空位有利于更多的氧被电离，进一步形成吸附的氧离子，从而使氧化还原反应更容易，增强了MCC-2传感器的气敏性能。

与MoO3纳米颗粒和MC-2相比，MCC-2具有更大的比表面积和孔径，为气体吸附/扩散提供了更多的活性位点，从而增强了传感器的气敏性能。

结果表明，MC-2和MCC-2传感器在二元和三元材料中分别具有最高的响应。且对不同浓度的H2S有着线性的响应。

传感器对H2S有着优异的选择性和重复性。

气敏测试结果表明，MCC-2传感器对H2S表现出n型响应行为。MoO3、CuO和g-C3N4的功函数分别为5.1 eV、5.3 eV和4.3 eV，电子将从功函数小的材料流向功函数大的材料，导致能带弯曲和损耗层的形成。

当MCC-2传感器与空气接触时，空气中的O2分子会迅速吸附在传感器表面形成吸附氧。然后，吸附的氧会捕获电子形成氧离子。同时，MCC-2传感器中的氧空位也会使被吸附的氧形成O原子，O原子又会消耗电子形成。上述反应加速了电子的消耗，导致了更高的位垒，更厚的损耗层和更高的电阻。

结论

作者采用简单的水热法制备了MoO3/CuO/g-C3N4纳米复合材料。表征分析表明，形成的样品属于介孔结构，MoO3/CuO/g-C3N4比表面积大于MoO3和MoO3/CuO。更重要的是，MoO3/CuO/g-C3N4具有丰富的氧空位，由MoO3/CuO/g-C3N4形成异质结。上述优点不仅使更多的气体吸附在MoO3/CuO/g-C3N4的表面，而且加快了电子-空穴对的迁移，从而提高了MoO3/CuO/g-C3N4传感器的气敏性能。预期的气敏测试结果表明，MCC-2传感器在RT下的响应为8.24-1000 ppb H2S，约为MoO3/CuO传感器的1.31倍。此外，MoO3/CuO/g-C3N4传感器的响应/恢复时间(49/210 s)小于MoO3/CuO传感器的响应/恢复时间(60.5/215 s)。同时，MCC-2传感器具有优异的重复性、对H2S的选择性和长期稳定性。

转自：“科研一席话”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！