갈바닉 치환 텔루륨 나노구조체 기반 감지 소재의 상온구동 가스 감지 특성

Abstract

황화수소 가스는 10 ppm의 농도만으로도 눈물, 점막자극, 신경계 장해 등의 문제를 일으키는 독성 가스로 피해는 주로 하, 오수관로, 쓰레기매립장, 축산업 등에서 발생하지만, 화장실 오수관의 파손 등으로 일상 생활에서도 피해를 입힐 수 있으며, 이에 황화수소 가스를 감지할 수 있는 센서의 필요성이 증가하고 있다. 하지만 기존의 산화물 반도체를 이용한 SnO2, In2O3, NiO, WO3 등의 가스 센서들은 구동 온도가 높거나, 소모 전력이 커 휴대용으로 사용하기 힘들며, 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 상온에서도 높은 가스 감지 특성을 보이는 칼코지나이드계 물질인 텔루륨을 소재로 사용하여 가스 감지 특성을 평가하였다.

텔루륨을 갈바닉 치환 반응을 통하여 텔루륨 나노 구조체로 합성하였으며, 치환 반응 용액의 텔루륨 농도 및 치환 반응 시간 제어를 통하여 나노 구조체의 형상을 Hollow 형상, Branched Hollow 형상 2가지 형상으로 제어하였으며, 형상에 따른 감지 특성을 비교하였다. Hollow 형상과 Branched Hollow 형상을 가지는 텔루륨 나노 구조체의 감지 특성 비교 시, 100 ppm의 황화수소 가스 농도의 측정조건에서 Branched Hollow 형상의 구조체에서 최대 8.49의 감도를 보이는 것을 확인하였다. 또한, NO2, SO2, H2 등의 다른 가스에서 감지 특성을 비교하여, 황화수소 가스에서 가장 감지 특성이 뛰어난 것을 확인하였다. |Hydrogen sulfide (H2S) is a toxic gas that can cause eye irritation, mucous membrane irritation, and neurological disorders at concentrations as low as 10 ppm. It is mainly produced in sewage treatment plants, landfills, and agricultural operations, but can also be released into the atmosphere from household drains and other sources. As a result, there is a growing need for sensors that can detect H2S. But Conventional H2S sensors, such as those based on SnO2, In2O3, NiO, and WO3, require high operating temperatures or consume large amounts of power, making them unsuitable for portable applications. In this study, we investigated the use of tellurium (Te) nanostructure for H2S gas sensing. Te is a chalcogenide material that exhibits excellent gas sensing properties at room temperature.

We synthesized Te nanostructure using galvanic replacement reaction and controlled the shape of the nanostructures to be hollow and branched by controlling the Te concentration in the replacement reaction solution and the reaction time. The sensing performance of the hollow and branched Te nanostructure was compared at 100 ppm H2S concentration, and the branched Te nanostructure showed a maximum sensitivity of 8.49. We also compared the sensing performance of the Te nanostructure with other gases such as NO2, SO2, and H2, and found that Te nanostructure had the best sensing performance for H2S.