新型SnO2納米片氣敏特性的研究

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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[3]焦萬麗，張磊.花狀SnO2納米粉體的制備與氣敏性能

[J].陶瓷學(xué)報，2018，39（4）：413-418.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]