一維SnO2、ZnO空心納米材料的構(gòu)筑及其丙酮、乙醇?xì)饷籼匦匝芯?pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，自然資源和環(huán)境污染問(wèn)題也日益嚴(yán)重。有毒有害氣體的泄露、溫室效應(yīng)、可燃性氣體的爆炸、食品安全等問(wèn)題都時(shí)刻威脅著人們的生命與健康。而對(duì)周圍環(huán)境有害氣體濃度變化進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)并公開(kāi)，也能讓人們規(guī)避于突發(fā)氣體泄漏和污染事件。因此，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)理想的氣體傳感器是當(dāng)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(diǎn)而被廣泛研究，同時(shí)也存在氣體響應(yīng)低，工作溫度高、響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)、選擇

2、性差等缺點(diǎn)亟待解決。較低的響應(yīng)、較差的選擇性、較高的工作溫度抑制了氣敏傳感器在實(shí)際生活中的應(yīng)用。氣敏反應(yīng)是發(fā)生在氣敏材料(SnO2、ZnO)表面氣-固界面上的化學(xué)反應(yīng)。材料的組成、微結(jié)構(gòu)、表面缺陷和表面修飾等因素對(duì)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(duì)制備優(yōu)良的氣敏材料具有重要的指導(dǎo)意義。主要研究工作如下：
　　1．SnO2空心納米帶的制備及其丙酮?dú)饷籼匦匝芯?。通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，利用靜電紡絲技術(shù)制備了S

3、nO2納米纖維，燒結(jié)結(jié)晶后形成SnO2空心納米帶。我們對(duì)空心結(jié)構(gòu)的成因進(jìn)行了分析，認(rèn)為是在靜電紡絲的過(guò)程中，纖維軸心至四周存在的乙醇濃度差，導(dǎo)致擴(kuò)散過(guò)程中Sn2+離子和PVP分子聚集在纖維外側(cè)，殘余乙醇占據(jù)纖維內(nèi)側(cè)。隨著退火過(guò)程中PVP和乙醇的分解，以及SnO2結(jié)晶生長(zhǎng)和坍塌，最后便形成了SnO2納米帶。經(jīng)由XRD和Raman表征，確定樣品為SnO2的金紅石結(jié)構(gòu)。SEM和TEM表征確認(rèn)了SnO2納米帶的空心結(jié)構(gòu)和介孔結(jié)構(gòu)。隨后測(cè)試了Sn

4、O2空心納米帶的氣敏特性，發(fā)現(xiàn)在260℃的工作溫度下對(duì)100 ppm丙酮的響應(yīng)達(dá)到了52。這與傳統(tǒng)的SnO2塊體氣敏材料相比，響應(yīng)提升了5倍左右。經(jīng)進(jìn)一步分析，SnO2納米帶還具有不錯(cuò)的飽和濃度(50000 ppm)、靈敏度和響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間。
　　2．Pr摻雜 SnO2納米管的制備及其乙醇?xì)饷籼匦匝芯?。本?shí)驗(yàn)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(shù)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(shù)對(duì)樣品的微觀結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行表征。結(jié)果表明：隨著摻雜濃度的增加，SnO2納米管直徑呈現(xiàn)出先增大再減小的趨勢(shì)。XRD和XPS表征表明，Pr離子以 Pr3+/Pr4+混合價(jià)態(tài)的形式摻雜進(jìn)SnO2的晶格中，并且Pr3+離子替位晶格中的Sn4+離子產(chǎn)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(guò)氣敏測(cè)試發(fā)現(xiàn) Pr離

6、子的摻雜使SnO2獲得了對(duì)乙醇?xì)怏w的優(yōu)良響應(yīng)。最后，我們對(duì)Pr摻雜SnO2傳感器的氣敏機(jī)制進(jìn)行了討論。
　　3．Ce摻雜ZnO納米管的制備及其丙酮?dú)饷籼匦匝芯?。本?shí)驗(yàn)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(shù)制備了Ce摻雜的ZnO納米管，并利用XRD、XPS和SEM技術(shù)對(duì)樣品的微觀結(jié)構(gòu)、元素價(jià)態(tài)和形貌進(jìn)行表征。結(jié)果表明：所得的樣品呈均一的管狀結(jié)構(gòu)。Ce離子以Ce3+/Ce4+混合價(jià)態(tài)的形式成功

7、地?fù)诫s進(jìn)ZnO的晶格中，且Ce3+/Ce4+替位晶格中的Zn2+產(chǎn)生了更多的剩余電子。隨后測(cè)試了Ce摻雜的ZnO納米管的氣敏特性，發(fā)現(xiàn)與單一的ZnO相比，Ce摻雜的ZnO對(duì)丙酮?dú)怏w具有更高的響應(yīng)和靈敏度。而獲得氣敏提升的關(guān)鍵，在于Ce摻雜后對(duì)ZnO晶體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和電子特性的改良。
　　4．ZnO/SnO2核殼結(jié)構(gòu)納米管的制備及其乙醇?xì)饷籼匦匝芯?。?shí)驗(yàn)先利用靜電紡絲技術(shù)制備了SnO2納米管，隨后借助水熱法在SnO2納米管表面生長(zhǎng)了Z

8、nO殼層。利用XRD、EDS、SEM、TEM、XPS和元素分析等表征技術(shù)，證實(shí)了ZnO/SnO2的核殼結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明由ZnO粒子組成的殼層均勻地生長(zhǎng)在SnO2納米管表面，且殼層厚度約為12 nm。對(duì)ZnO/SnO2的氣敏特性進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)基于ZnO/SnO2復(fù)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?xì)饷繇憫?yīng)(對(duì)100 ppm乙醇其響應(yīng)達(dá)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(jié)構(gòu)，Zn