SnS2納米片負(fù)載SnO2納米顆粒改性氨氣氣敏響應(yīng)

胡蝶 曾大文 徐鏗

摘 要：文章通過簡單的水熱反應(yīng)制備出了二氧化錫顆粒修飾硫化錫基氣敏材料。通過SEM、TEM、XPS等表征結(jié)果表明二氧化錫顆粒大量復(fù)合在硫化錫表面。通過氣敏性能的測試發(fā)現(xiàn)，在可見光激發(fā)下材料對NH3表現(xiàn)出優(yōu)異的氣敏性能，對50ppm NH3的敏感性是純硫化錫器件的4倍。文章通過測試結(jié)果對光氣敏原理做了分析。

關(guān)鍵詞：二硫化錫；二氧化錫；室溫氣敏；氨氣

經(jīng)濟與科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展使得人們的生活水平逐步提高，但同時帶來的危害也不斷增加。生產(chǎn)生活產(chǎn)生的有毒氣體類似于氨氣對人體有很大的危害，有可能會導(dǎo)致呼吸性疾病甚至可能窒息[1]。為此檢測空氣中是否含有氨氣對于有效的防治危險發(fā)生有著重要的意義。

二硫化錫具有2.2-2.35eV光學(xué)帶隙[2]，在室溫下表現(xiàn)出了優(yōu)異的電性能和氣敏感應(yīng)性能[3]，作為新一代的先進(jìn)的室溫的材料已被廣泛應(yīng)用各行各業(yè)，并已被用于氨氣的檢測。但是由于制備方法不穩(wěn)定、器件制作復(fù)雜和氣敏性能不高而有待改善。文章通過簡單的水熱反應(yīng)在二硫化錫納米片上復(fù)合了二氧化錫顆粒，通過性能測試發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料在可見光激發(fā)下對氨氣的氣敏性能比原材料提高了4倍左右。

1 材料制備

將4mmol的氯化亞錫溶解在去離子水中超聲五分鐘，加入60mmol的硫代乙酰胺并將混合物在室溫下攪拌三十分鐘。將混合物轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，在160℃條件下水熱反應(yīng)12h，冷卻至室溫后清洗多次，放置于干燥箱中烘干。用燒杯取40ml蒸餾水，加入10mg制備所得SnS2粉末超聲15分鐘后滴加1800μL HCl，同時加入1g氯化亞錫，超聲20mins后磁力攪拌兩小時并清洗烘干。傳感器的敏感度可以用匹配電阻在空氣與被測試氣氛中的測試電流來表示：R=（Ig-Ia）/Ia×100%。

2 結(jié)果與討論

2.1 SEM和TEM結(jié)果分析

圖1 SnS2/SnO2復(fù)合材料的（a）SEM；（b）TEM

從圖1中可以看出，復(fù)合所得產(chǎn)物主要為片狀材料，材料的直徑約在2-3μm左右，納米片的厚度約為10nm左右。納米片表面有很多小顆粒。片狀體無規(guī)則的堆疊在一起形成支撐結(jié)構(gòu)，增加了片面之間的空隙，這有助于材料內(nèi)部的氣體分散。從圖1（b）中可以看出基板材料間距為0.322nm，對應(yīng)了二硫化錫的（100）晶面，基板上附著的顆粒的晶面間距為0.358nm，對應(yīng)二氧化錫的（110）晶面。

2.2 XPS結(jié)果分析

圖2 SnO2/SnS2復(fù)合物的Sn元素XPS圖譜

從圖2中看到，在486.5eV，487.2eV，495.1eV和495.5eV四個位置有明顯的峰強，這與SnS2中的Sn-S鍵（結(jié)合能在486.7 eV和495.2 eV）[3]以及SnO2中所含的Sn-O鍵（結(jié)合能在487.0 eV和 495.5 eV）[4]符合。

2.3 光電氣敏性能測試（如圖3所示）

為了比較二硫化錫在復(fù)合二氧化錫前后的光電氣敏性能變化，我們用純二硫化錫納米片做了同等條件下的對比試驗。我們采用10v電壓持續(xù)通入50ppmNH3，在相同時間下打開白光和斷掉白光，可以看到 SnO2/SnS2復(fù)合材料的電流增量為純SnS2材料的4倍左右，計算可得其響應(yīng)也約為純硫化錫納米片的4倍。

圖4 SnO2/SnS2復(fù)合物對不同濃度氨氣的響應(yīng)曲線

圖4是復(fù)合材料在不同濃度氨氣下的響應(yīng)結(jié)果。從圖4中可以看出，隨著氨氣的濃度從50ppm逐漸增加至250ppm，材料在白光下的響應(yīng)曲線增幅逐漸增加，這主要是因為氨氣濃度增大后，參與材料表面氣固反應(yīng)的氣體濃度增加，材料內(nèi)部的載流子濃度的變化幅度，而當(dāng)載流子濃度變化幅度越大，響應(yīng)度越大。

3 結(jié)束語

本實驗?zāi)康脑谟诟纳萍兞蚧a納米片的氨氣氣敏性能，在其原有的響應(yīng)基礎(chǔ)上，通過水熱原位復(fù)合方法復(fù)合禁帶寬度匹配良好的氧化錫納米顆粒，改善其對氨氣的氣敏性能。這種方法不僅操作簡單，對實驗條件要求較低，并且制備產(chǎn)物量大，原料價格便宜。通過表征和氣敏性能測試，我們發(fā)現(xiàn)復(fù)合所得的材料上成功的生長了大量分散均一、粒徑在5nm左右的氧化錫納米顆粒，同時通過氣敏測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)SnO2/SnS2復(fù)合材料對50ppm的氨氣的氣敏響應(yīng)度約為1.2，遠(yuǎn)高于純SnS2納米片的響應(yīng)。這主要是因為氣固交互的化學(xué)反應(yīng)過程將氣體信號轉(zhuǎn)化為了材料內(nèi)部的電信號，同時納米顆粒與基板之間增加電子空穴分離效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)存在，使得材料對測試氣體有了一個顯著的氣敏響應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

[1]Wang J，Zhang W，Li L，et al. Breath ammonia detection based on tunable fiber laser photoacoustic spectroscopy[J]. Applied Physics B. 2011，103（2）： 263-269.

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[3]Zhang Y C，Du Z N，Li K W，et al. High-Performance Visible-Light-Driven SnS2/SnO2 Nanocomposite Photocatalyst Prepared via In situ Hydrothermal Oxidation of SnS2 Nanoparticles[J].ACS Applied Materials & Interfaces，2011，3（5）：1528-1537.

[4]Wang Y，Aponte M，Leon N，et al. Synthesis and Characterization of Ultra-Fine Tin Oxide Fibers Using Electrospinning[J].Journal of the American Ceramic Society，2005，88（8）：2059-2063.

作者簡介：胡蝶（1990，4-），女，籍貫：湖北省洪湖市，學(xué)歷：碩士，研究方向：氣敏智能傳感器。