基于ZnO NW/rGO的室温NO2光敏—气敏特性研究

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NO2是形成雾霾和酸雨的原因之一,对人类的健康会造成极大危害。因此,对NO2的检测显得尤为重要。ZnO纳米墙(ZnO NW)是宽带隙材料,具有优异的光电性能和气敏性能,然而高温工作(200-400℃)限制了其应用和发展。光激发ZnO纳米墙表面时,在材料内部将生成大量电子-空穴对,从而提高载流子浓度,并且加速材料表面对气体的吸附和脱附。因此,光照可以有效提高其气敏性能,但光生电子-空穴对会在纯ZnO中发生严重复合。多孔石墨烯(porous rGO)的加入在一定程度上可有效抑制光生电子-空穴对的复合,进而提高其NO2光敏-气敏特性。本论文首先采用喷涂法结合热还原法制备多孔rGO薄膜,然后在此薄膜基础上利用浸渍提拉法制备ZnO NW薄膜,以构筑ZnO NW/rGO异质结,研究该异质结在室温下的NO2光敏-气敏特性,得到如下结论:(1)制备的ZnO NW在提拉速率为6000μm/s、室温条件下,对功率为100%的波长为365 nm的光敏性为5.009,响应-恢复时间为43 s-10 s。相对室温无光照的NO2气敏性能,ZnO NW在该功率和波长的光照条件下,对50 ppm NO2的灵敏度从3.226提高到33.172,响应-恢复时间为40 s-4 s。为了探究光照对ZnO NW气敏特性影响的机理,对样品进行表面光电流检测(激发光波长为300-500 nm),结果表明当激发光波长处于365 nm时,ZnO NW表面光电流值最大,为11×10-12A。这意味着样品在波长为365 nm的光激发下,有高的光诱导电荷分离效率,受到光照时在ZnO内部会有大量电子-空穴对生成。然后,光生电荷会在自建电场的影响下迁移到样品表面,与氧负离子和被注入气箱中的NO2分子发生氧化还原反应,从而提高对NO2的气敏性能。(2)0.2 mg/mL制备得到的多孔石墨烯在室温条件下对50 ppm NO2的灵敏度为1.376,响应-恢复时间为24 s-50 s。rGO对NO2的气敏性能随着喷涂浓度的增加从1.376下降到1.068。经过对样品拉曼分析得到,随着喷涂浓度(0.2-0.8 mg/mL)的增加,rGO厚度增加,GDI/I积分值增大,因为缺陷与I/IGD积分值成正相关,即说明样品中缺陷和杂质增多,导致气敏性能下降。(3)提拉速率为6000μm/s、喷涂浓度为0.2 mg/mL制备的ZnO NW/rGO异质结在室温条件下,对功率为100%的波长为365 nm的光敏性为6.279,响应-恢复时间为35 s-8 s。与室温无光照条件相比,异质结在该功率和波长的光照条件下对50 ppm NO2的灵敏度从5.328提高到35.103,响应-恢复时间为38 s-3 s。相对纯ZnO NW,异质结表面光电流从11×10-12A提高到19×10-12A,这说明异质结在光照条件下能够产生更多的电子-空穴对;除此之外,导电性优异的石墨烯作为电子受体负责传输载流子,可以有效地抑制光生电子-空穴复合,使更多的光生电荷参与氧化还原反应。
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