Zn2SnO4、ZnO复合SnO2纳米材料的制备及气敏性能研究

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随着社会科技化和工业化的发展,在人们的生活中和工业生产中可能会存在或产生一些有毒,有害气体,这些气体对我们的生活中的空气环境造成破坏,有些可能会引发人体各种病症。由于这些气体有很多是易扩散,或者人们难以察觉的,因此气体检测在这些环境中具有非常重要的意义,气敏传感器也随之受到人们的广泛研究。气敏材料是传感器的重要组成之一,其需要具有易于合成,反应和恢复过程迅速,对气体的灵敏度能长期稳定的特点。而锌,锡氧化物例如氧化锌,二氧化锡,锡酸锌作为典型的气敏材料。通过现阶段已有的研究结果发现,锌,锡氧化物气敏材料对甲醛,乙醇,乙二醇等气体表现出良好的气敏应用前景。本文通过使用水热法合成了Zn2SnO4/SnO2(ZTO/SnO2)多孔纳米球以及使用静电纺丝法制备ZnO/SnO2中空纳米管,然后通过元素掺杂的方法提高了它们的气敏性能。主要工作包括以下三个部分:1.通过水热法和后续退火过程制备了Bi掺杂Zn2SnO4/SnO2多孔纳米球。通过XPS(X射线光电子能谱)和XRD(X射线衍射)的结果表明Bi离子已经成功地掺杂进样品的晶格中,对两种传感器进行性能的测试,发现基于Bi掺杂Zn2SnO4/SnO2材料的传感器的选择性比纯Zn2SnO4/SnO2的更好,对甲醛表现出更高的响应。表明Bi掺杂增强了Zn2SnO4/SnO2材料的甲醛气敏性能。2.在上个实验的基础上,通过水热法在160℃下反应10 h,并结合退火过程合成了Zn2SnO4/SnO2和Ag掺杂Zn2SnO4/SnO2的多孔纳米球,使用XRD,SEM(扫描电子显微镜),TEM(透射电子显微镜),XPS等表征方法来分析实验合成的两种材料的结构、形貌及化学价态。接着对材料的气敏性能进行测试并研究。结果表明Ag掺杂后的气敏材料相比于纯样,尺寸明显减小,比表面积有所增大。同时在气敏性能方面,Ag掺杂Zn2SnO4/SnO2多孔纳米球在更低的工作温度下(140℃)对50ppm甲醛表现出更高的响应值(60),结果说明Ag掺杂是一种有效的提高材料气敏性能的方法,并且这种方法制备的Ag掺杂Zn2SnO4/SnO2多孔材料可以应用在甲醛气体的气敏检测上。3.通过静电纺丝的方法制备了ZnO/SnO2中空纳米管,为了改善所制备样品的气敏性能,用同样的方法制备了La掺杂ZnO/SnO2中空纳米管,从形貌上可以看出所制备样品是空心多孔的,这样不仅气体在样品表面可以吸附的更多,还在脱附时有利于气体分子的扩散。接着通过以上实验使用的表征方法对合成的材料研究分析,可以发现La元素成功掺入ZnO/SnO2样品中。最后对两个样品的性能进行研究,能够发现两个样品都对乙二醇有优异的选择性。同时发现虽然掺杂后工作温度,响应时间并没有较大的变化,但是掺杂后的响应值得到了很大的提升,La掺杂ZnO/SnO2工作温度时对100 ppm乙二醇的响应为181.94,而ZnO/SnO2的响应仅为66.06。说明所合成的La掺杂ZnO/SnO2材料能很好的应用在乙二醇气体检测当中。
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