于躍 于海
【摘 要】金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器一直是環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的熱點問題。在眾多金屬氧化物中,SnO2目前應(yīng)用最為廣泛,且其對氣體的傳感有著優(yōu)良的性能。因此,SnO2得到了人們廣泛關(guān)注,人們開始致力于研發(fā)簡單高效的氣體傳感器,用來檢測有毒有害氣體。文章采用水熱法制備SnO2,以SnCl2·H2O提供Sn2+源,在檸檬酸鈉環(huán)境下,加入CTAB制備出優(yōu)良形貌及優(yōu)良靈敏度的SnO2納米結(jié)構(gòu)材料。為檢測其靈敏度、響應(yīng)速度、形貌特征,采用智能氣敏分析系統(tǒng)、X射線衍射儀(XRD)、場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)等手段對樣品進行測試分析。成功制備出納米片狀結(jié)構(gòu)的SnO2,且具有較好的靈敏度和選擇性。
【關(guān)鍵詞】SnO2微納結(jié)構(gòu);氣敏性能
【中圖分類號】G642 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688(2019)06-0090-02
0 引言
眾所周知,納米材料金屬氧化物氣敏材料具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)回復(fù)快、靈敏度高等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染治理,工業(yè)氣體監(jiān)控、可燃性毒性氣體檢漏報警等領(lǐng)域?;诩{米材料所制備的傳感器吸引了研究者們極大的探索興趣,如通過制備出不同形貌和結(jié)構(gòu)的納米氧化物來檢測有害氣體。
在眾多金屬氧化物納米材料的制備方法(化學(xué)沉淀法、溶膠凝膠法、微乳液法和水熱法)中,本文選擇了具有反應(yīng)簡單、操作簡便、易于控制、成本較低等優(yōu)點的水熱法來制備性質(zhì)優(yōu)良SnO2納米結(jié)構(gòu)。
1 實驗部分
1.1 實驗原材料
實驗所需的材料有SnCl2·H2O、CTAB、去離子水、乙醇、檸檬酸鈉,以上所有試劑材料均符合國家標(biāo)準(zhǔn)。
1.2 實驗制備
本實驗利用水熱法制備SnO2納米結(jié)構(gòu)。首先,向10 mL乙醇和30 mL去離子水當(dāng)中加入3.632 g SnCl2·H2O,在此過程中,始終用磁力攪拌器進行攪拌,隨后依次加入1.28 g檸檬酸鈉,0.44 gCTAB。持續(xù)攪拌20 min之后加到水熱反應(yīng)釜中,并在180 ℃的溫度下,水熱反應(yīng)2 h。待反應(yīng)結(jié)束后進行離心處理,然后用去離子水和乙醇各洗滌3次,在60 ℃干燥箱中烘干10 h后,在400 ℃下退火3 h,得到SnO2樣品。
1.3 材料的表征
利用X射線衍射儀(XRD)對所得樣品進行物相分析,利用場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)對所得樣品形貌進行分析,并利用智能氣敏分析系統(tǒng)對所得樣品的氣敏性能進行分析測試。
1.4 氣敏性測試準(zhǔn)備
?(1)制樣:將SnO2樣品放進瑪瑙研缽,并加入無水乙醇進行研磨,待SnO2樣品成均勻糊狀物時涂在電極片上,待干燥后使用,如圖1(c)所示。
?(2)測試:將帶有SnO2樣品的電極片放在氣敏測試儀的控溫臺上,如圖1(b)所示,利用智能氣敏分析系統(tǒng)進行氣敏性能測試,如圖1(a)所示。
2 分析與討論
2.1 形貌分析
場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)對SnO2樣品不同放大倍數(shù)的形貌和結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2(a)、圖2(b)是SnO2樣品不同放大倍數(shù)圖,分別為放大85 000倍、100 000倍后的結(jié)果。根據(jù)樣品的放大倍數(shù)圖可知,樣品呈直徑為100 nm的超薄納米片狀結(jié)構(gòu),比較粗糙,同時并未發(fā)現(xiàn)其他形貌,且存在團聚現(xiàn)象。
2.2 XRD的測試及氣敏性能分析
2.2.1 XRD的測試
利用X射線衍射(XRD)圖譜對退火樣品SnO2進行了測試,所得結(jié)果如圖3(b)所示。由圖可知,在2θ=26.48°、33.83°、37.72°、51.62°、78.50°處的衍射峰與 SnO2(JCPDS:77-452)的晶面(310)、(112)、(301)、(330)、(312)相對應(yīng)。
2.2.2 氣敏性能分析
利用智能氣敏分析系統(tǒng)對樣品SnO2的氣敏性能進行測試,如圖3(a)、圖3(c)、圖3(g)、圖3(e)所示。
首先,測量SnO2樣品最佳工作溫度。圖3(e)是濃度為100 ppm的乙醇氣體在不同的溫度下工作的靈敏度曲線。根據(jù)圖像可知,SnO2樣品的靈敏度隨工作溫度的變化關(guān)系如下:當(dāng)溫度低于175 ℃時,靈敏度隨溫度的升高而增大;當(dāng)溫度達到175 ℃時,靈敏度達到峰值且其數(shù)值為12.14;當(dāng)溫度高于175 ℃時,靈敏度隨工作溫度的升高而減小。由此可見,樣品最佳工作溫度為175 ℃。其次,測量SnO2樣品的選擇性。圖3(c)為樣品在最佳工作溫度175 ℃下,在不同氣體環(huán)境下工作時靈敏度的對比??芍?00 ppm 的乙醇、甲醛、甲醇、氨水、丙酮這幾種氣體環(huán)境當(dāng)中,靈敏度有顯著的不同。在以上幾種氣體環(huán)境當(dāng)中,SnO2樣品在乙醇氣體環(huán)境中靈敏度最高,其數(shù)值為12.14;在甲醛氣體環(huán)境中數(shù)值為7.68。其他氣體的響應(yīng)相對較低,其中在甲醇環(huán)境中的靈敏度為1.84,在氨水氣環(huán)境的靈敏度為1.21,在丙酮環(huán)境中的靈敏度為1.56。通過對比可知,SnO2樣品在乙醇和甲醛環(huán)境中具有較好的選擇性和靈敏度。圖3(a)為樣品在最佳工作溫度下,在不同濃度乙醇氣體中響應(yīng)值的折線圖。由圖像可知,隨著乙醇氣體濃度的增加響應(yīng)值不斷增大,其中當(dāng)乙醇氣體濃度為500 ppm時,靈敏度最高。圖3(g)為樣品在最佳工作溫度175 ℃時,不同濃度的乙醇氣體(分別為10 ppm、20 ppm、50 ppm、100 ppm、200 ppm、500 ppm)的靈敏度與響應(yīng)的對比曲線。
對SnO2樣品的穩(wěn)定性進行測量,如圖3(d)所示。圖3(d)為樣品穩(wěn)定性的曲線圖,由圖可知,SnO2樣品的穩(wěn)定性良好。
對樣品的響應(yīng)時間及恢復(fù)時間進行測試分析,如圖3(f)所示,可知,SnO2樣品的響應(yīng)時間為7 s,恢復(fù)時間為52 s。
2.3 與其他樣品的對比
本實驗中,利用水熱法制備SnO2納米結(jié)構(gòu)。此實驗中,SnO2樣品的最佳工作溫度為175 ℃,且呈納米片狀結(jié)構(gòu),在最佳工作溫度下的靈敏度為12.14。
在對比樣品SnO2中,利用水熱法制備SnO2納米結(jié)構(gòu)。在實驗中使用了表面復(fù)雜的表面活性劑,如十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)和聚乙二醇—600(PEG)表面活性劑等。該對比樣品的最佳工作溫度為220 ℃,且其形貌是由平均直徑為40 nm,長度約為100 nm的納米棒組成花狀結(jié)構(gòu);在最佳工作溫度下(220 ℃)的靈敏度為6.5,響應(yīng)時間和恢復(fù)時間分別為2 s和20 s。
通過上述對比可見,本樣品的靈敏度(12.14)優(yōu)于對比樣品的靈敏度(6.5),靈敏度良好,且本樣品最佳工作溫度(175 ℃)比對比樣品的最佳工作溫度(220 ℃)低。相比之下,本實驗方案比對比樣品SnO2的實驗方案更為簡單。
3 實驗結(jié)論
本實驗成功制備了SnO2納米片狀結(jié)構(gòu),且在最佳工作溫度175 ℃、100 ppm濃度下,靈敏度為12.14,樣品對乙醇、甲醛等氣體選擇性良好,穩(wěn)定性良好。響應(yīng)時間和恢復(fù)時間分別為7 s和52 s。
4 結(jié)語
本次實驗雖然已經(jīng)成功制備SnO2納米片狀結(jié)構(gòu),但SnO2樣品對甲醇、氨水、丙酮等氣體的靈敏度還不是很理想,在實際應(yīng)用過程中,傳感器需要對目標(biāo)氣體有良好的選擇性,因此仍需要進一步改善和提高SnO2對其他氣體的靈敏程度,同時提高樣品響應(yīng)的速度,以滿足當(dāng)前和未來的環(huán)境及能源需求。
參 考 文 獻
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[責(zé)任編輯:鐘聲賢]