多孔SnO2納米管、納米球的制備及其氣敏特性研究.pdf

1、氣體傳感器是一種探測(cè)氣體種類及濃度的器件，隨著日益加劇的環(huán)境問(wèn)題，研發(fā)具有優(yōu)異性能的氣體傳感器逐步成為當(dāng)下研究的重要課題之一。氧化錫（SnO2）是重要的寬禁帶（Eg=3.6 eV）n型半導(dǎo)體之一，在室溫下具有較高的激子束縛能（130 meV），由于其具有價(jià)格低廉、靈敏度高、響應(yīng)快和穩(wěn)定性好等諸多特點(diǎn)，使其在氣體傳感器領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用。氣敏反應(yīng)是發(fā)生在SnO2納米材料表面的氣-固界面上的化學(xué)反應(yīng)，材料的微觀結(jié)構(gòu)、表面缺陷和形貌等

2、對(duì)氣敏性能都有重要的影響。因此，可以通過(guò)稀土元素或者貴金屬摻雜、表面修飾、異質(zhì)結(jié)構(gòu)筑等方式對(duì)SnO2納米材料進(jìn)行改性來(lái)提高材料的氣敏性能。本實(shí)驗(yàn)主要以靜電紡絲法和模板法制備了SnO2納米管、空心納米球和多殼層納米球，并對(duì)其氣敏性能進(jìn)行了測(cè)試。主要研究工作如下：
　　1.通過(guò)結(jié)合靜電紡絲法和熱處理制備了二氧化錫納米管，并用不同質(zhì)量比的稀土元素Yb進(jìn)行摻雜優(yōu)化，采用XRD、SEM、TEM、XPS、BET等多種現(xiàn)代化現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)對(duì)樣品進(jìn)

3、行了表征，探究了Yb元素?fù)诫s對(duì)樣品結(jié)構(gòu)、形貌及氣敏性能的影響，最后還對(duì)樣品的形成機(jī)理和氣敏機(jī)理進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示所有樣品均具有清晰的管狀結(jié)構(gòu)，是由大量無(wú)規(guī)則的納米顆粒聚集而成的，并且隨著Yb元素的摻雜，SnO2納米管的直徑由320 nm減小到了200 nm。Yb離子成功以以Yb3+的形式摻雜進(jìn)入SnO2晶格中，大大增加了材料表面吸附氧的數(shù)量，提高了樣品在空氣中的電阻值。以1.0 wt％Yb摻雜SnO2納米管為基體材料的傳感器在340℃

4、時(shí)對(duì)乙醇?xì)怏w表現(xiàn)出了最優(yōu)的氣敏性能，而其性能的提升主要?dú)w功于樣品獨(dú)特的空心多孔特性和適度的摻雜優(yōu)化。
　　2.用葡萄糖和去離子水為原料，通過(guò)水熱法制備了平均尺寸約為320 nm的C球，隨后以制備的C球?yàn)槟０?，進(jìn)行了多孔SnO2空心納米球的合成。表征結(jié)果證明SnO2空心納米球的平均直徑約為110 nm，這是由于在煅燒過(guò)程中隨著C模板的去除，前驅(qū)物隨之向內(nèi)塌陷所造成的。樣品由許多SnO2納米顆粒組成的，表面疏松多孔。BET測(cè)試也進(jìn)一步

5、驗(yàn)證了樣品的多孔特性，且孔徑尺寸為20.49 nm，這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有利于SnO2與目標(biāo)氣體間的反應(yīng)進(jìn)而提高器件的靈敏度。老化時(shí)間為48 h的樣品在260℃時(shí)對(duì)500 ppm乙醇?xì)怏w的響應(yīng)值達(dá)到了673，且響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間也低至10-11s。大的比表面積為氣體的吸附提供了更多的活性位點(diǎn)，多孔特性促進(jìn)了氣體分子的流通和擴(kuò)散，有效增加了化學(xué)反應(yīng)的速率，在提高傳感器靈敏度的同時(shí)降低了最佳工作溫度。
　　3.實(shí)驗(yàn)首先通過(guò)調(diào)節(jié)水熱反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)優(yōu)

6、化了C微球模板，制備出了分散性良好、平均尺寸約為2μm的C微球。再通過(guò)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)試劑的配比和熱處理的升溫速率，以該C微球?yàn)槟０逯苽涑隽似骄睆郊s為1.05μm的多殼層SnO2納米球。TEM表征證明樣品具有獨(dú)特的核殼結(jié)構(gòu)，兩個(gè)閉合的球殼和一個(gè)實(shí)心核構(gòu)成，且內(nèi)外兩個(gè)球殼的厚度均為100 nm。多殼層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)能夠?yàn)闅怏w分子的吸附提供多個(gè)吸附面，使傳感器的最佳溫度向低溫方向偏移。氣敏測(cè)試中多殼層SnO2納米球?qū)Ρ獨(dú)怏w表現(xiàn)出了高的響應(yīng)值(500