功能分子材料实验室在氢气气敏传感器的研究方面取得新进展

近日，我院功能分子材料实验室研究生蔡令波在高灵敏度氢气气敏传感器方面取得新进展，该研究采用水热法通过调节ph值的手段，首次合成了具有准一维结构，高比表面的WO₃纳米梭，而后在其表面复合上了具有高催化性能的p型半导体PdO，制备出了n-WO₃/p -PdO异质结构, 此异质结构对氢气展现出非常好敏感性。复合摩尔比为PdO/WO₃为(3 at%)时, 传感器在150℃条件下展现出了最佳敏感性，其灵敏度响应值非常高，响应速度异常快，对1, 5, 10, 20 和 50 ppm（1ppm=1/1000000）浓度的H₂, 其灵敏度分别为(R_a/R_g) 1.3, 7, 23, 37 and 76, 响应时间分别为9s, 8s, 5s, 3s和1s. 研究成果以“Highly sensitive H₂ sensor based on PdO-decorated WO₃ nanospindle p-n heterostructure”为题发表在氢能源领域的国际权威期刊《International Journal of Hydrogen Energy》（中科院分区2区top，影响因子：4.939）上，通讯作者为景强、刘波教授。

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图2. (a) 准一维结构WO₃纳米梭的 SEM 扫描图像，(b) n-WO₃/p -PdO异质结界面 (c) 1-50ppm氢气浓度下电阻变化测试曲线，（d）n-WO₃/p -PdO异质结构能带示意图.

如图所示，样品呈现规整的梭状结构，其长度为14.69μm，直径约412nm, 通过PdO修饰之后的样品在其表面形成了稳定的异质结构。样品的性能得到明显的提升，最低探测浓度可以达到1ppm，对于1ppm, 5ppm, 10ppm, 20ppm和50ppm 浓度的氢气，其响应值分别为1.3, 7.0，23，37和76，响应时间分别为 9s, 8s, 5s, 3s和1s.

图3. 气体传感机制示意图

如图3(a)&(b)所示，未复合的WO₃纳米梭在空气中由于表面吸附氧从样品表面捕获电子导致样品电阻上升，当样品暴露于氢气环境中时，氢气与样品表面的吸附氧离子反应，电子重新转移到WO₃中，电阻变低，样品暴露于空气与氢气中的电阻之比被定义为传感器的响应值(R=R_a/R_g). 通过Pd/PdO纳米颗粒修饰的WO₃纳米梭，会在PdO和WO₃界面形成耗尽层，由于耗尽层中没有可移动的电子，使得样品电阻相对于未经过修饰的样品明显提高，当传感器暴露在氢气中，电子经过表面吸附氧离子与氢气的反应转移到样品中，耗尽层变窄，电阻下降。另一方面，由于异质结的形成以及Pd/PdO的催化作用使得气敏性能得到明显的提升。