二氧化锡基传感器中一氧化碳和氢气的交叉敏感机理及其同时定量表征

It is of great significance to simultaneously detect CO and H2 online in the incomplete combustion products of hydrocarbon fuel for safety assurance and efficient utilization of chemical energy. SnO2 based sensors have the advantages of high response value and fast response-recovery time for reducing gas detection. However, when CO and H2 coexisted, it is difficult for the sensor to accurately determine their concentrations because of the interference between the two gases. In order to solve this problem, we present a new method to detect CO and H2 based on the finding of “the change characteristics of response signal of SnO2 to CO and H2 co-adsorption”, and the key is to clarify the cross-sensitivity mechanism of CO and H2. Based on the apparent information of electrochemical performance test, gas sensitive performance test, the gas-solid interface adsorption layer structure and composition, this project aims to combine with chemical adsorption theory, focuses on the chemical adsorption and the response value of correlation, CO and H2 competitive adsorption behavior, CO and H2 interaction behavior, to illustrate the cross sensitivity mechanism of CO and H2. The following objectives are to be achieved: The cross sensitive parameters are obtained through the cross sensitive mechanism of CO and H2; The simultaneous quantification of CO and H2 is realized by placing cross sensitive parameters in more than one quantitative equations of sensor and mixed gas concentration. This provides a new idea for simultaneous quantification of two or more homogeneous gases.

同时在线检测碳氢燃料不完全燃烧产物中CO和H2的浓度对保障安全生产和指导化学能高效利用具有重要意义。SnO2基传感器对单一还原性气体检测，具有响应值高、响应-恢复时间快等优点。然而，CO和H2共存时相互干扰，传感器不能准确测定各自的浓度。为此，本项目基于发现的“SnO2对CO和H2共吸附的响应信号变化特征”，提出一种同时准确定量CO和H2浓度的新思路，而其关键是阐明CO和H2的交叉敏感机理。项目拟通过电化学性能测试、气敏性能测试、气固界面吸附层组成和结构表征，结合化学吸附理论，重点研究化学吸附量与响应值的关联、CO和H2竞争吸附行为、CO和H2交互作用行为，阐明CO和H2的交叉敏感机理。实现目标为：通过CO和H2的交叉敏感机理，得到交叉敏感参数；将交叉敏感参数代入多个传感器与混合气体浓度的定量方程组，实现CO和H2的同时定量。这为两种或多种同性质气体的同时定量提供理论依据和技术方案。

CO和H2是易爆、易燃气体，被广泛应用于冶金还原过程。碳氢化学燃料不完全燃烧过程中，气体产物内CO和H2的浓度比可确定空气过剩系数，其比值的精确确定是燃料化学能高效利用的重要依据。另外，在冶金化工领域中，水煤气的生产、高炉和焦炉等二次煤气的综合高效利用，都涉及CO和H2的共存和准确定量。因此，研制高气敏性传感器来同时测定CO和H2的含量对安全保障和生产过程分析控制具有重要意义。然而，目前以二氧化锡基为代表的敏感材料用于还原性气体检测，很难实现对单一气体的高选择性响应。据此，本项目针对CO和H2共存时的选择性定量进行了详细研究，主要包括CO和H2气敏材料响应值与化学吸附关系、吸附敏感行为、选择性敏感材料设计及其气体定量。在化学吸附和响应值关系研究中，基于CO和H2为例的选择性敏感机理，提出了气-固界面化学吸附表征新方法，为冶金气-固反应机理、多相催化等领域的研究提供原创表征数据和理论支撑。在二氧化锡基气体传感器对CO和H2交叉敏感机理研究中，通过p-n结界面电子-空穴调控，解决了气体传感器对CO和H2选择性差的技术瓶颈，为两者的同时定量研究提供了成功范例和理论支撑。在本项目的支撑下，负责人分别在2019年和2022年晋升副教授、教授职称。在2021年入选山东省高校“青创人才引育计划”创新团队带头人，在2022年入选山东省“泰山学者”。负责人以第一/通讯作者在Sens. Actuators B，J. Mater. Sci. Technol.，Appl. Surf. Sci.等传感器及表界面科学相关领域发表SCI 论文25 篇（其中，JCR一区/Top 期刊18篇）。首位获“第八届全国高校冶金院长提名奖”，“辽宁省自然科学学术成果一等奖”等。