一維SnO2、ZnO空心納米材料的構筑及其丙酮、乙醇氣敏特性研究.pdf

1、隨著經濟社會的發(fā)展，自然資源和環(huán)境污染問題也日益嚴重。有毒有害氣體的泄露、溫室效應、可燃性氣體的爆炸、食品安全等問題都時刻威脅著人們的生命與健康。而對周圍環(huán)境有害氣體濃度變化進行有效監(jiān)測并公開，也能讓人們規(guī)避于突發(fā)氣體泄漏和污染事件。因此，設計并開發(fā)理想的氣體傳感器是當前研究的重要課題之一。SnO2和ZnO都是重要的氣敏材料。它們因具有耐熱性、耐腐蝕性、材料成本低等優(yōu)點而被廣泛研究，同時也存在氣體響應低，工作溫度高、響應恢復時間長、選擇

2、性差等缺點亟待解決。較低的響應、較差的選擇性、較高的工作溫度抑制了氣敏傳感器在實際生活中的應用。氣敏反應是發(fā)生在氣敏材料(SnO2、ZnO)表面氣-固界面上的化學反應。材料的組成、微結構、表面缺陷和表面修飾等因素對氣敏性能都有重要影響。因此研究影響SnO2、ZnO氣敏性能的因素對制備優(yōu)良的氣敏材料具有重要的指導意義。主要研究工作如下：
　　1．SnO2空心納米帶的制備及其丙酮氣敏特性研究。通過優(yōu)化實驗條件，利用靜電紡絲技術制備了S

3、nO2納米纖維，燒結結晶后形成SnO2空心納米帶。我們對空心結構的成因進行了分析，認為是在靜電紡絲的過程中，纖維軸心至四周存在的乙醇濃度差，導致擴散過程中Sn2+離子和PVP分子聚集在纖維外側，殘余乙醇占據纖維內側。隨著退火過程中PVP和乙醇的分解，以及SnO2結晶生長和坍塌，最后便形成了SnO2納米帶。經由XRD和Raman表征，確定樣品為SnO2的金紅石結構。SEM和TEM表征確認了SnO2納米帶的空心結構和介孔結構。隨后測試了Sn

4、O2空心納米帶的氣敏特性，發(fā)現在260℃的工作溫度下對100 ppm丙酮的響應達到了52。這與傳統(tǒng)的SnO2塊體氣敏材料相比，響應提升了5倍左右。經進一步分析，SnO2納米帶還具有不錯的飽和濃度(50000 ppm)、靈敏度和響應/恢復時間。
　　2．Pr摻雜 SnO2納米管的制備及其乙醇氣敏特性研究。本實驗以二水合氯化亞錫、硝酸鐠、聚乙烯吡咯烷酮為原料，乙醇和二甲基甲酰胺為溶劑，用靜電紡絲技術制備了不同濃度Pr(0.3wt％,0

5、.6wt%和1.0 wt%)摻雜的SnO2納米管，并利用XRD、XPS、EDS、SEM、TEM和BET等技術對樣品的微觀結構和形貌進行表征。結果表明：隨著摻雜濃度的增加，SnO2納米管直徑呈現出先增大再減小的趨勢。XRD和XPS表征表明，Pr離子以 Pr3+/Pr4+混合價態(tài)的形式摻雜進SnO2的晶格中，并且Pr3+離子替位晶格中的Sn4+離子產生了氧空位。隨后，將所得的納米材料涂覆在帶電極的陶瓷管上制成傳感器，通過氣敏測試發(fā)現 Pr離

6、子的摻雜使SnO2獲得了對乙醇氣體的優(yōu)良響應。最后，我們對Pr摻雜SnO2傳感器的氣敏機制進行了討論。
　　3．Ce摻雜ZnO納米管的制備及其丙酮氣敏特性研究。本實驗以乙酸鋅、硝酸鈰、聚乙烯吡咯烷酮為原料，乙醇和二甲基甲酰胺為溶劑，用靜電紡絲技術制備了Ce摻雜的ZnO納米管，并利用XRD、XPS和SEM技術對樣品的微觀結構、元素價態(tài)和形貌進行表征。結果表明：所得的樣品呈均一的管狀結構。Ce離子以Ce3+/Ce4+混合價態(tài)的形式成功

7、地摻雜進ZnO的晶格中，且Ce3+/Ce4+替位晶格中的Zn2+產生了更多的剩余電子。隨后測試了Ce摻雜的ZnO納米管的氣敏特性，發(fā)現與單一的ZnO相比，Ce摻雜的ZnO對丙酮氣體具有更高的響應和靈敏度。而獲得氣敏提升的關鍵，在于Ce摻雜后對ZnO晶體結構的優(yōu)化和電子特性的改良。
　　4．ZnO/SnO2核殼結構納米管的制備及其乙醇氣敏特性研究。實驗先利用靜電紡絲技術制備了SnO2納米管，隨后借助水熱法在SnO2納米管表面生長了Z

8、nO殼層。利用XRD、EDS、SEM、TEM、XPS和元素分析等表征技術，證實了ZnO/SnO2的核殼結構。結果表明由ZnO粒子組成的殼層均勻地生長在SnO2納米管表面，且殼層厚度約為12 nm。對ZnO/SnO2的氣敏特性進行測試，發(fā)現基于ZnO/SnO2復合材料的氣敏傳感器具有更低的工作溫度(200℃)和更高的乙醇氣敏響應(對100 ppm乙醇其響應達到397)。研究表明：ZnO/SnO2氣敏特性的提升得益于材料的一維管狀結構，Zn