基于硫化钼聚苯胺复合材料的紫外光辅助快速检测气态元素汞传感器的研究

The design synthesis aiming at the chemical features of sensing materials is the important scientific basis for developing new type sensors. For on-line concentration monitoring of the gaseous elemental mercury (zero valent state) to control mercury emission, this project presents a new type gaseous elemental mercury sensor. The sulfur atoms layer in sulfide semiconductors have interactions with the targeted gaseous elemental mercury, which will change the surface carrier transport behaviors to affect the electric properties of the semiconductor. The basic idea of this sensor is measuring the electric properties change related with concentrations of gaseous elemental mercury. The project is proposed on the basis of our previous research work on elemental mercury sensor. We will grow the MoS2/PANI composite sensing material with hierarchical structures and controlled surface defects on a LED surface. UV light is used for accelerating the desorption of elemental mercury to shorten the recovery time. This constitutes a new type high performance, low-power, integration gaseous elemental mercury sensor. This research will not only get a new type sensor for the remote distributed on-line monitoring of mercury emission, but also expand the applications on gaseous heavy metal pollutants detection with semiconductor sensors.

针对待测物质化学特征进行敏感材料设计合成是开发新型传感器的重要科学基础。本项目从气态元素汞（零价态）浓度在线监测控制汞污染排放需求出发，根据半导体硫化物表面硫原子层与待测气态元素汞之间存在“互亲性”作用，提出检测由此引发的表面载流子输运过程导致的电学性质变化进而获取气态元素汞浓度信息的思路，制备新型气态元素汞传感器。本项目拟在前期研究工作基础上，通过在贴片LED光源表面生长具有分等级纳微结构、表面缺陷态可控的MoS2/PANI复合敏感材料，利用紫外光辅助方式加快气态元素汞脱附，缩短恢复时间，制备一种新型的高性能、低功耗、集成一体化气态元素汞传感器。本研究不仅期望研制出用于远程分布式实时汞排放监测的新型半导体传感器，同时有望开发半导体传感器在气态重金属污染物检测的新应用领域。

燃烧过程产生的烟气是人为向大气排放汞的主要来源。其中又以元素汞为主要的汞污染形态。开发高性能元素汞传感器实时监测汞浓度，对于实现大气汞污染源头控制尤为重要。因此本项目以气态元素汞的检测为目标，开发具有高灵敏度、快速响应恢复的元素汞传感器。本项目主要围绕以下几方面展开研究工作：第一、开展了具有分等级纳米结构的敏感材料制备及敏感性能研究。本项目的开展中侧重对材料复合结构的设计以及对界面缺陷的调控。利用两相热等合成方法设计合成了MoS2-Ag2S，SnS-SnO2等复合材料。通过构建PN结复合结构，成功提高了敏感材料对元素汞的响应。所得到的元素汞传感器响应恢复速度均控制在1分钟以内。在界面缺陷调控方面，在与 MoS2具有类似结构的 WO3材料中，利用调控表面活性剂在晶体表面选择性吸附行为实现了在纳微尺度分等级介观结构的构筑以及表面缺陷态的调控。第二，开展了元素汞传感过程中的敏感机理研究。本项目在研究过程中率先提出吸附-传导汞敏感机制。第三，开展了具有高光激发效率的光热转换材料可控制备及其转换机理研究。在对光激发气敏器件的研究中我们发现，不同波长的光对敏感材料中载流体疏运性能具有重要影响。不同于传统采用紫外光激发增强气敏性能的工作，我们提出利用可见光或者近红外光激发，并对相关的红外光激发材料的合成与光性能开展研究。研究中发现，在某些镧系化合物固体电解质体系内，红外光对材料具有明显的表界面激发效应，体现在材料具有良好的光热转换效率。基于固体电解质复合半导体的界面热点增强效应，光热气敏协同将为半导体气敏材料的设计提供新的思路。综上，本项目的顺利实施为大气中的气态元素汞检测提供了新的思路，有助于更好的实现汞污染的源头控制，对我国大气重金属污染控制具有重要意义。