《Microchemical Journal》：Rapid detection of H
2S gas at room temperature using cost-effective CDs-ZnO nanocomposites
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本工作采用in-situ水热法合成碳点/氧化锌纳米复合材料，研制出室温下5 ppm硫化氢传感器，灵敏度19.6%，响应/恢复时间14/19秒，具备快速响应和低功耗特性。
Srijan Pushkarna|Shivani Dhall|Jyoti Prakash|Mamta Shandilya|Kapil Sood
印度旁遮普省贾兰达尔D.A.V.学院物理系
摘要
H?S气体是一种无色且具有高毒性的气体，自然来源于沼泽、污水和火山气体等，同时在石油精炼等工业过程中也会产生。随着对环境安全需求的增加，市场对既能高灵敏度又能快速响应的H?S气体传感器的需求也在不断增长。考虑到这些要求，我们报道了一种通过将绿色碳点（CDs）与氧化锌（ZnO）结合制备的成本效益型纳米复合材料，用于气体检测。这种CDs-ZnO纳米复合材料的合成采用了一种简单有效的原位水热法。实验表明，该气体传感器在室温下对5 ppm浓度的H?S气体具有19.6%的响应率，并且响应和恢复时间分别为14秒和19秒。拉曼光谱分析结果显示其晶粒尺寸为17.8纳米，进一步支持了所提出的传感机制。据我们所知，此前尚未有关于CDs-ZnO纳米复合材料在5 ppm H?S气体检测性能的研究报道。
引言
随着全球意识的提高，人们对污染、工作场所安全、医疗保健的可及性以及空气质量管理等方面的关注日益增强。多种有毒气体（如碳氢化合物（HCs）、氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO?）、二氧化硫（SO?）、氨（NH?）、硫化氢（H?S）和挥发性有机化合物（VOCs）从各种来源释放到环境中[1]。这些气体是主要的污染源，对工作场所安全构成威胁，同时还会直接或间接导致严重的健康问题，甚至引发危及个人和社区的危险情况[2]。这些污染物的影响凸显了迫切需要有效的环境保护和安全措施来保护公众健康[3]。在这些气体中，H?S是一种无色且具有强烈臭鸡蛋气味的高毒性气体，它通常在工业过程、核反应堆的重水处理厂、原油和天然气的开采过程中以及生物分解过程中释放[4]。这种气体极其危险，无论是在室内还是室外环境中工作的人员都会面临重大健康风险[5][6]。即使在低浓度下，H?S的泄漏也会刺激眼睛[7][8]，而高浓度暴露则可能导致立即的呼吸窘迫甚至死亡[9]。表1展示了不同浓度H?S气体吸入的有害影响[10]。因此，研究人员致力于开发一种选择性高、响应灵敏度适中、能耗低且在室温下可运行的气体传感器[11]（见图1）。
有多种材料，特别是过渡金属氧化物半导体纳米材料（如MgO、In?O?、WO?、ZnO、SnO?等），由于其固有的氧空位、小的晶粒尺寸和较大的表面积比，被广泛用于制造H?S气体传感器[12][13]。在所有过渡金属氧化物半导体中，ZnO是领先的材料，因为它具有宽的带隙（3.3 eV）、高导电性、良好的生物相容性以及对还原性和氧化性气体都具有高响应率。然而，Amol等人[14]使用ZnO薄膜制备的H?S气体传感器在300°C时达到最大响应；Kim等人[15]报道了一种利用水热法制备的一维ZnO纳米结构，可在≤500°C的温度下检测H?S；Hasan等人[16]使用未掺杂和掺杂的ZnO纳米颗粒及纳米棒通过溶胶-凝胶法制备的气体传感器，工作温度范围为150°C至250°C[16]。
尽管ZnO具有巨大潜力，但由于其较高的工作温度导致能耗较高，这在实际应用中仍存在局限性。为了克服这一挑战并推进室温气体传感器的发展，研究人员现在广泛使用基于碳的纳米材料，因为它们具有独特的结构和电学性能[17]。这些纳米材料有助于将传感器微型化和集成到便携式及可穿戴设备中[17]，为新一代先进传感技术的发展铺平了道路。Abdulla等人[18]报道了使用聚苯胺功能化的多壁碳纳米管（PANI/MWCNTs）基纳米复合材料在室温下检测NH?气体的应用；Wang等人[19]开发了一种基于多孔RGO网络的气体传感器，在室温下可重复检测NO?气体[19]。除了碳纳米材料（CNTs、GO、RGO、CNPs）外，还有一种意外发现的纳米材料——碳点（CDs），这种零维纳米材料具有独特的结构和电学性能[20][21]，引起了研究人员对传感应用的兴趣[21]。
因此，我们报道了一种使用CDs-ZnO纳米复合材料制成的化学电阻式气体传感器，该传感器在室温下具有适中的响应率。在本研究中，采用原位水热法以蜡烛炭黑（CCS）为前驱体合成了CDs-ZnO纳米复合材料，旨在开发出灵敏度高、成本低、响应速度快、恢复时间短且在室温下可正常工作的气体传感器。
CDs-ZnO纳米复合材料的合成
在本研究中，通过简单的单步水热法使用CCS作为前驱体合成了CDs-ZnO纳米复合材料。首先，用去离子水、丙酮和异丙醇清洗玻璃片，并用氮枪干燥。随后点燃蜡烛，通过将基底置于蜡烛火焰的不同位置来优化CCS层的形成时间（30秒至2分钟）。收集到的CCS随后被用于后续步骤。
结果与讨论
FTIR光谱用于分析合成的CDs和CDs-ZnO纳米复合材料的表面官能化情况（见图3(a)）。CDs的FTIR光谱在2327 cm?1处显示出一个峰，这是O=C=O键的特征吸收峰。当ZnO掺入CDs后，该峰变得更强烈，并向更高波数（2346 cm?1）移动，表明发生了蓝移。这种蓝移可能是由于ZnO引入后键合变得更加牢固所致。
气体检测
CDs-ZnO的电学特性在-2 V至+2 V的电压范围内进行了研究（见图4(a)）。CDs-ZnO在微安级别范围内显示出电流，峰值达到9.5 μA。这些电学行为可能归因于费米能级附近能带的增强，这有助于电子在CDs-ZnO复合材料中的传输[36]。此外，由于材料内部存在多种官能团，可能还导致了态密度的增加。
结论
本研究重点介绍了使用CCS作为前驱体合成成本效益型CDs-ZnO纳米复合材料的方法及其在室温下检测5 ppm H?S气体的应用。研究发现，多种官能团成功附着在CDs-ZnO表面，这些官能团是传感机制的关键组成部分。CDs-ZnO的D带与G带强度比为1.08，这归因于官能团的引入。有趣的是，该传感器...
作者贡献声明
：撰写、审稿与编辑、数据分析。
：指导、资金获取、概念构思。
：数据管理。
：概念构思。
：方法论设计、实验研究、数据分析。
利益冲突声明
作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务关系和个人关系：Shivani Dhall获得了原子能部大学拨款委员会（University Grants Commission Department of Atomic Energy Consortium）的科研资助；她与贾兰达尔D.A.V.学院物理系存在雇佣关系；目前没有待审的专利。如果还有其他作者，他们...
致谢
作者Srijan Pushkarna和Shivani Dhall感谢UGC-DAE-CSR提供的研究资金支持（批准编号：CRS/2023-24/03/1206）。
