氧等离子体与变价金属(Ni/Mn)掺杂协同策略增强In2O3纳米管低温H2S传感性能的机制研究

针对H2S气体检测中存在的操作温度高、选择性差等问题，研究人员通过氧等离子体处理与Ni/Mn掺杂的协同策略，成功制备出具有6601.4超高响应值的In2O3纳米管传感器，在75℃低温下实现100 ppb级检测限。该研究为高性能MOS基气体传感器开发提供了新思路。

　　

氢硫化氢（H₂S）作为一种剧毒气体，在超过安全阈值时会对人体健康造成严重威胁。美国职业安全与健康管理局（OSHA）规定其职业暴露阈值为10 ppm，而500 ppm浓度可在数分钟内导致急性呼吸衰竭。当前基于金属氧化物半导体（MOS）的H₂S传感器普遍面临工作温度高、选择性不足等瓶颈问题。河南理工大学的研究团队通过创新性结合变价金属离子掺杂与氧等离子体处理技术，在《Sensors and Actuators B: Chemical》发表了关于In₂O₃纳米管低温H₂S传感器的突破性研究成果。

研究采用静电纺丝法制备Ni/Mn掺杂In₂O₃纳米管，结合氧等离子体表面处理技术，通过X射线衍射（XRD）、电子顺磁共振（EPR）和X射线光电子能谱（XPS）等表征手段分析材料特性，并利用原位漫反射红外傅里叶变换光谱（DRIFTS）研究气敏反应机制。

【Structural and morphological characteristics】
XRD分析显示所有样品均保持立方相In₂O₃结构（PDF#89-4595），氧等离子体处理未改变晶体结构但显著提升了Ni³⁺/Ni²⁺比例。扫描电镜证实材料呈现中空管状形貌，比表面积达89.6 m²/g。

【Gas sensing performance】
Ni-In₂O₃-plasma对5 ppm H₂S的响应值达6601.4（较未处理样品提升9.7倍），工作温度降至75℃，响应/恢复时间为9 s/89 s，检测限低至100 ppb。该材料对NH₃、甲醛等干扰气体表现出优异选择性。

【Mechanism analysis】
EPR和XPS证实氧等离子体处理使氧空位浓度提升2.3倍，Ni³⁺/Ni²⁺比例从1.68增至3.24。这种协同效应促进了表面吸附氧物种（O₂^-和O^-）的生成，通过DRIFTS检测到反应中间产物SO₃^2-和SO₄^2-。

研究结论表明，氧等离子体处理与变价金属掺杂的协同策略通过双重调控氧空位浓度和金属价态比例，显著提升了In₂O₃纳米管的低温H₂S传感性能。该工作不仅为开发高性能气体传感器提供了新思路，其提出的"等离子体-掺杂"协同调控机制也可拓展至其他MOS基气敏材料体系。值得注意的是，虽然传感器响应值取得突破，但恢复过程仍存在优化空间，这为后续研究指明了改进方向。