二氧化錫納米材料的水熱合成及其氣敏性能研究.pdf

1、二氧化錫作為一種重要的的N型寬禁帶(3.6 eV,300 K)半導(dǎo)體材料，在傳感器、光催化、太陽(yáng)能電池、超級(jí)電容器等多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。其中最重要的應(yīng)用之一便是傳感器。由SnO2作為氣敏元件制作的傳感器具有高的響應(yīng)能力、較好的響應(yīng)恢復(fù)特性和穩(wěn)定性，使它成為最具潛力的氣敏材料之一。半導(dǎo)體材料的氣敏性能很大程度上依賴于其結(jié)構(gòu)和形貌，如何制備可控尺寸和特殊形貌的納米SnO2成為了一個(gè)重要的研究方向。
　　本論文采用操作簡(jiǎn)單、成本較低

2、的水熱合成技術(shù)，以改善氣敏性能為目的，通過(guò)調(diào)整合成條件、向體系添加堿液、表面活性劑，進(jìn)行燒結(jié)處理，制備出了不同形貌的SnO2，包括中空結(jié)構(gòu)、具有大比表面積的疏松多孔結(jié)構(gòu)，這些均有利于提高傳感器的氣敏特性。通過(guò)XRD、SEM、TEM、HRTEM和SAED等表征測(cè)試手段對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行表征，探討其生長(zhǎng)機(jī)理，并對(duì)它們的氣敏性能進(jìn)行了研究。主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾部分：
　?、儆梢痪S納米棒組裝的棒狀SnO2結(jié)構(gòu)：采用簡(jiǎn)單的水熱法，

3、以SnCl2·2H2O作為反應(yīng)物，添加表面活性劑CTAB或PEG，分別合成了實(shí)心棒狀和多孔的SnO2中空棒狀結(jié)構(gòu)。反應(yīng)物濃度和表面活性劑的不同對(duì)SnO2形成過(guò)程和形態(tài)有很大影響。相比由實(shí)心棒狀結(jié)構(gòu)制成的傳感器，基于多孔棒狀結(jié)構(gòu)的傳感器對(duì)乙醇有更高的響應(yīng)，在最佳工作溫度350 oC時(shí)響應(yīng)達(dá)最大值54。這歸因于多孔SnO2棒狀結(jié)構(gòu)的表面有大量的花瓣?duì)罴{米片和孔隙，提供更多的氣體擴(kuò)散路徑，有利于氣體擴(kuò)散。
　?、谟梢痪S納米棒/錐體組裝的

4、花狀 SnO2結(jié)構(gòu)：首先，采用一步水熱法在溫和條件下合成了由中心向四周放射性生長(zhǎng)的一維納米棒組裝的SnO2花狀結(jié)構(gòu)，揭示了它如何由球狀變成花狀結(jié)構(gòu)。PEG-6000的存在控制 SnO2晶體生長(zhǎng)過(guò)程，是獲得均勻形貌、分散性好的花狀SnO2的關(guān)鍵性因素。在最佳工作溫度313 ℃，氣體靈敏度達(dá)到最大值S=35，響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為7-8s和9-10s。良好的氣敏性能表明了它用作氣體傳感器的潛能。隨后，采用水熱法合成了由納米錐體組裝的三維花狀

5、SnO2結(jié)構(gòu)，單個(gè)納米錐體的最大直徑接近塊體 SnO2德拜長(zhǎng)度的兩倍，氧氣化學(xué)吸附引起大量的電子消耗，這有助于氣敏性能的提高。測(cè)試了材料對(duì)100 ppm H2在低溫50 ℃紫外照射下的氣敏特性，氣敏響應(yīng)在幾秒鐘從2.7增加到9.5。這不僅是因?yàn)樾路f的一維-三維構(gòu)架提供了大量反應(yīng)位點(diǎn)和充足的氣體擴(kuò)散空間，還由于在紫外光激發(fā)下，Sn-O(ad)重構(gòu)為Sn-O(hv)，這使其可以在低溫下有效檢測(cè)H2。
　?、塾啥S納米片組裝的多孔花狀

6、SnO2結(jié)構(gòu)：三維多孔結(jié)構(gòu)和分級(jí)組裝，在避免納米結(jié)構(gòu)團(tuán)聚、保留大的比表面積的同時(shí)，還由于內(nèi)部存在孔道結(jié)構(gòu)有利于氣體的擴(kuò)散，是構(gòu)筑高靈敏度和快速響應(yīng)氣敏材料的理想結(jié)構(gòu)，備受關(guān)注。首先，采用一步水熱法，在表面活性劑 CTAB輔助下，合成了由大量納米片聚集組裝成的多孔SnO2花狀結(jié)構(gòu)，有良好的氣敏性能。這歸因于其獨(dú)特的二維片狀結(jié)構(gòu)，它縮短了氣體擴(kuò)散的距離，為待測(cè)氣體提供更易進(jìn)入的通路和活性表面。隨后，通過(guò)簡(jiǎn)單的水熱法結(jié)合燒結(jié)處理，制備了一種新