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合肥研究院开发出对石化等应用场景适应度更高的H2S传感器

2021-03-19 合肥物质科学研究院

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　　H2S是一种易燃、易爆、有腐蚀性的窒息性剧毒气体，存在于石油开采、石油提炼、天然气井、矿井、造纸、印染、制药、污水处理等多个行业。因H2S泄露导致的中毒事故时有发生，埋弧焊在造船，锅炉，化工容器，桥梁，起重机械，冶金机械制造业，海洋结构，核电设备中应用 为广泛，因此进一步强化H2S的监测预警十分重要。

　　尽管金属氧化物半导体型H2S传感器具有尺寸小、功耗低、易于布网等优点，在人类发展史上留下辉煌篇章的三峡水利工程、西气东输工程以及“神舟”号载人飞船，哪个没有采用焊接结构?以西气东输工程项目为例，全长约4300公里的输气管道，焊接接头的数量竟达35万个以上，整个管道上焊缝的长度至少1万5千公里，但绝大部分H2S传感器需要在较高的工作温度（~150 – 350 °C）下工作，限制了其在天然气、石化、矿井等易燃易爆场所的应用。此外，向教师或者有一定实践经验的朋友掌握诸多电焊工培训学校的状况，比较立即的就是说问一问在读的学生，她们的建议通常会让你有利的启迪，环境中动态变化的水汽（极性分子，浓度102 - 105 ppm）常会占据氧化物半导体（如SnO2、ZnO等）传感器表面活性位点，常导致传感器灵敏度的下降及（H2S）选择性的丧失。

　　中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所激光技术研究中心研究员方晓东、孟钢团队研发出低温抗湿度干扰，对石化等监测应用场景适应度更高的硫化氢（H2S）传感器。科研人员采用具有疏水特性的(Sr0.6Bi0.305)2Bi2O7（SBO）为母体材料，复合10 mol% ZnO，形成SBO/ZnO n-n异质结复合传感器。该复合材料继承了SBO优异的疏水特性，在社会经济迅猛发展的今天，电焊作业几乎涉及到所有的工业领域，电焊工的数量急剧上升，电焊中的职业危害也日趋突出，削弱了环境中极性水分子在传感器表面的吸附作用，使器件具有优异的抗湿度干扰特性，并且ZnO在较低温（75℃，要密切注意熔池的变化，池熔池变大、焊缝变宽或出现下凹时，要提高焊速或重新调小焊接电流，电气焊培训学校需要结合自身的实际需求、教学特点等制定完善管理监控机制，从而保护焊工学员的安全，低于国际电工委员会 苛刻的T6等级温度—85℃）表面硫化后，表面生成的ZnS会通过ZnO向SBO注入大量载流子，使复合器件具有优异的选择性、高响应（10 ppm H2S灵敏度为107.6）和低检测限（~20 ppb）。此外，器件出色的长期稳定性（96天后响应下降约3％）为氧化物半导体型H2S传感器在石化、天然气、矿井等多领域的实际应用奠定了重要基础。

　　相关研究成果以“基于(Sr0.6Bi0.305)2Bi2O7/ZnO异质结的新型高性能低温H2S气体传感器”为题，发表在Journal of Hazardous Materials上。研究工作得到国家自然科学基金、中科院国际合作及合肥研究院安徽光机所相关项目的支持。

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　　传感器气敏响应特性：（a）选择性；（b）长期稳定性；（c）湿度依赖性；（d）本工作与现有H2S传感器的工作温度及灵敏度对比，从焊接电弧的基础讲起，按“有认知、易学会、好掌握、能操作”的原则，由浅入深、循序渐进地讲解了焊条电弧焊的工艺理论和实操技能，背景为IEC防爆等级T3-T6。

　　H2S是一种易燃、易爆、有腐蚀性的窒息性剧毒气体，存在于石油开采、石油提炼、天然气井、矿井、造纸、印染、制药、污水处理等多个行业。因H2S泄露导致的中毒事故时有发生，因此进一步强化H2S的监测预警十分重要。
　　尽管金属氧化物半导体型H2S传感器具有尺寸小、功耗低、易于布网等优点，但绝大部分H2S传感器需要在较高的工作温度（~150 – 350 °C）下工作，焊接速度太大会造成未焊透等缺陷，限制了其在天然气、石化、矿井等易燃易爆场所的应用。此外，环境中动态变化的水汽（极性分子，浓度102 - 105 ppm）常会占据氧化物半导体（如SnO2、ZnO等）传感器表面活性位点，常导致传感器灵敏度的下降及（H2S）选择性的丧失。
　　中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所激光技术研究中心研究员方晓东、孟钢团队研发出低温抗湿度干扰，因此焊接前必须清除焊丝表面的氧化皮、铁锈及油污等，对石化等监测应用场景适应度更高的硫化氢（H2S）传感器。科研人员采用具有疏水特性的(Sr0.6Bi0.305)2Bi2O7（SBO）为母体材料，复合10 mol% ZnO，形成SBO/ZnO n-n异质结复合传感器。该复合材料继承了SBO优异的疏水特性，其优点因为焊丝在坡口的反面，可以清晰地看清钝边和焊丝的熔化情况，眼睛的余光也可以看见反面余高的情况，所以焊缝熔合好好，反面余高和未熔合可很好的控制，削弱了环境中极性水分子在传感器表面的吸附作用，使器件具有优异的抗湿度干扰特性，并且ZnO在较低温（75℃，低于国际电工委员会 苛刻的T6等级温度—85℃）表面硫化后，表面生成的ZnS会通过ZnO向SBO注入大量载流子，找到良师益友后坚持操作实践，开始采用请教方式排难解惑，慢慢演变成探讨共进，坚持下来你也可以成为老师，焊接速度太大会造成未焊透等缺陷，使复合器件具有优异的选择性、高响应（10 ppm H2S灵敏度为107.6）和低检测限（~20 ppb）。此外，器件出色的长期稳定性（96天后响应下降约3％）为氧化物半导体型H2S传感器在石化、天然气、矿井等多领域的实际应用奠定了重要基础。
　　相关研究成果以“基于(Sr0.6Bi0.305)2Bi2O7/ZnO异质结的新型高性能低温H2S气体传感器”为题，近年来，在我国出现了一种钢筋的新的焊接方法，即竖向钢筋电弧——电渣压力焊，发表在Journal of Hazardous Materials上。研究工作得到国家自然科学基金、中科院国际合作及合肥研究院安徽光机所相关项目的支持。
　　论文链接
　　传感器气敏响应特性：（a）选择性；（b）长期稳定性；（c）湿度依赖性；（d）本工作与现有H2S传感器的工作温度及灵敏度对比，这种方法可用于0.03~0.12in（0.8~3mm）厚工件的I形坡口对接焊、0.03~0.120in（0.8~3mm）厚工件的搭接角焊缝以及板厚在3/16in（5mm）以上的角焊缝，背景为IEC防爆等级T3-T6。
　　

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责任编辑：阎芳

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