Fe2O3纳米棒的制备及其H2S气敏性能研究*

安 飞

(中国石化青岛安全工程研究院，山东青岛 266104)

0 前言

HS作为一种在石油加工和储存过程中常见的气体，一旦泄漏将对环境和人体带来巨大危害，因此亟需一种合适的传感器用于快速检测HS气体泄漏。目前多种HS传感器被用于检测HS气体，例如电化学型、表面声波型以及电阻型气体传感器。其中基于纳米金属氧化物的电阻型气体传感器，凭借着较高的灵敏度和较快的响应恢复速度，吸引了科研者的注意。用于制备电阻型HS传感器的纳米金属氧化物可以分为两类：n型和p型金属氧化物。前者包括ZnO、SnO、FeO、MoO等，后者包括CuO、CrO、CoO等。其中FeO纳米颗粒作为一种无毒、稳定且成本低的纳米材料，十分适合用来检测HS。然而目前制备的FeO纳米材料以纳米球、纳米线和纳米片为主，FeO纳米棒较少。

因此，本文介绍了一种用于制备FeO纳米棒的方法，即一步水热法，同时研究了基于FeO纳米棒的气体传感器在不同温度条件下的HS气敏响应特性以及它的稳定性和选择性，探索其在石化领域中气体检测的可能性。

1 实验部分

1.1 Fe2O3纳米棒的制备

准确称取0.1 g Fe(NO)·9HO和5 g葡萄糖，放入500 mL的烧杯中，倒入360 mL去离子水，搅拌下缓慢加入0.1 mL乙醇胺，并搅拌1 h。然后转移至9个聚四氟乙烯衬里的高温反应釜内，恒温150 ℃，反应12 h。待反应结束后冷却到室温，然后进行离心10 000 r，时间5 min，沉淀用少量的去离子水和乙醇洗涤3次，60 ℃下干燥12 h，得到红棕色粉末。最后将得到的粉末放入管式炉在500 ℃下煅烧2 h，便得到FeO纳米棒。

1.2 H2S传感器的制备

将纳米棒分散到乙醇中，形成均匀的浆料，然后将其涂到陶瓷管上烘干。将陶瓷管中间穿过加热电阻丝，并焊接到底座中，接入到艾力特CGS-8气敏测试仪中测量其HS气敏性能。其中传感器的灵敏度为电阻变化量与初始电阻的比值，响应时间为电阻变化90%时所需要的时间，恢复时间为电阻恢复90%时所需要的时间。

2 结果与讨论

2.1 Fe2O3材料的表征

把离心过的样品点样到铜网碳支持膜上，通过透射电子显微镜(TEM)观察形貌。如图1a所示，得到直径10 nm长度30 nm的棒状结构。煅烧过之后的TEM图像显示在图1b，团聚为直径40～80 nm的颗粒。

图1 α-Fe2O3煅烧前后TEM对比

2.2 Fe2O3材料的气敏性能研究

2.2.1

FeO不同温度下的气敏响应

从图2中可以看出，制备的器件在测试温度范围内(160～400 ℃)，低温时响应高，响应值为3.8，在200～250 ℃存在一个响应的突变，但是总体趋势是随着测试温度的升高逐渐降低。这主要是由于高温情况下氧气和HS分子更容易脱附而不是参加气敏反应。

图2 Fe2O3在不同温度下对10 μmol/mol H2S的响应值

图3显示器件在不同温度下对10 μmol/mol HS的响应时间和恢复时间，在150 ℃以下时响应时间较长，在22 s以上。随着温度的升高，响应恢复时间逐渐缩短。当温度达到400 ℃时，响应时间仅有7 s，恢复时间仅有4 s。然而如前面所述，响应值会随着温度的升高而逐渐降低。因此需要综合考虑响应值、响应恢复时间以及功耗等多方面因素，确定一个最佳的工作温度。在300 ℃时多个器件显示FeO对10 μmol/mol的HS的响应值在2～4，响应时间为12 s左右，恢复时间约4 s。该温度下，FeO不仅具有较高的响应值，响应恢复时间也远远短于文献中的值。因此，最终将工作温度定为300 ℃。

图3 Fe2O3在不同温度下对10 μmol/mol H2S的响应时间和恢复时间

2.2.2

稳定性

为了测试该材料的稳定性，对FeO纳米颗粒进行了多次测试。如图4所示，测试条件为10 μmol/mol HS、总的时间跨度35 d。可以看出测试材料前期的灵敏度不稳定，变化区间较大。随着天数和测试次数的增加，器件的响应值逐渐趋于稳定，而且测试过程中的基线也随之趋于稳定。

图4 Fe2O3在300 ℃下对10 μmol/mol H2S的响应值

2.2.3

选择性

在300 ℃下，测试了该材料对不同气体的响应。从图5a可以看出，在150～340 ℃的区间范围内，FeO对500 μmol/mol的CO几乎无响应，超过340 ℃后，该材料对CO有微弱的响应。从5b图中可以看出，该材料对1 000 μmol/mol的甲烷几乎无响应。这主要得益于HS气体具有更小的分子结合能，使得它更易于吸附到传感器表面。

图5 Fe2O3在300 ℃下对不同气体的响应值

3 结论

本文通过一步水热法制备的FeO纳米棒，具有均匀的形貌结构。基于FeO纳米棒的气敏传感器具有优异的HS气敏性能：在工作温度为300 ℃时，响应恢复时间<12 s，且具有良好的稳定性和选择性。简单易行的制备方法和优异的气敏性能使得FeO纳米棒十分适合用于快速检测石化行业中的HS泄漏，进而减少泄漏引起的危害。