新型SnO2納米片氣敏特性的研究

眾所周知，納米材料金屬氧化物氣敏材料具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)回復(fù)快、靈敏度髙等優(yōu)點(diǎn)。并且廣泛應(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(bào)警等領(lǐng)域。當(dāng)然，基于納米材料所制備的傳感器也吸引了研究者們極大的探索興趣。比如通過(guò)制備出不同形貌和結(jié)構(gòu)的納米氧化物來(lái)檢測(cè)有害氣體，并不斷提高其靈敏度和選擇性等等。

在眾多金屬氧化物納米材料的制備方法中，如:化學(xué)沉淀法、溶膠凝膠法、微乳液法和水熱法等等，本文選擇了具有反應(yīng)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、易于控制，成本較低等優(yōu)點(diǎn)的水熱法來(lái)制備性質(zhì)優(yōu)良SnO2納米結(jié)構(gòu)。

1  實(shí)驗(yàn)部分

1.1  實(shí)驗(yàn)原材料

實(shí)驗(yàn)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

1.2  實(shí)驗(yàn)制備

本實(shí)驗(yàn)利用水熱法制備SnO2納米結(jié)構(gòu)。首先，向10ml乙醇和30ml去離子水當(dāng)中加入3.632g SnCl2·H2O，在此過(guò)程中，始終用磁力攪拌器進(jìn)行攪拌，隨后依次加入1.28g檸檬酸鈉，0.44gCTAB。持續(xù)攪拌20min之后加入到水熱反應(yīng)釜中，并在180℃的溫度下，水熱反應(yīng)2h。待反應(yīng)結(jié)束后進(jìn)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10h后，在400℃下退火3h，得到SnO2樣品。

1.3  材料的表征

利用X射線衍射儀（XRD）對(duì)所得樣品進(jìn)行物相分析，利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（FESEM）對(duì)所得樣品形貌進(jìn)行分析，并利用智能氣敏分析系統(tǒng)對(duì)所得樣品的氣敏性能進(jìn)行分析測(cè)試。

1.4  氣敏性測(cè)試準(zhǔn)備

（1）制樣：將SnO2樣品放進(jìn)瑪瑙研缽，并加入無(wú)水乙醇進(jìn)行研磨，待SnO2樣品成均勻糊狀物時(shí)涂在電極片上，待干燥后使用。如圖1（c）所示。

（2）測(cè)試: 將帶有SnO2樣品的電極片放置在氣敏測(cè)試儀的控溫臺(tái)上，如圖1（b）所示，利用智能氣敏分析系統(tǒng)進(jìn)行氣敏性能測(cè)試，如圖1（a）所示。

圖1  氣敏材料的制備及測(cè)試儀器圖（a）氣敏元件的制備及測(cè)試儀器圖（b）控溫臺(tái)圖（c）平面型氣敏傳感器圖

2  分析與討論

2.1  形貌分析

圖2顯示了場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（FESEM）對(duì)SnO2樣品不同放大倍數(shù)的形貌和結(jié)構(gòu)。

圖2  （a）（b）分別為SnO2樣品放大不同倍數(shù)時(shí)的FESEM掃描圖

圖2（a）、2（b）是 SnO2樣品不同放大倍數(shù)圖。且圖2（a）、2（b）分別為放大85000倍、100000倍后的結(jié)果。根據(jù)樣品的放大倍數(shù)圖可知，樣品成直徑為100nm的超薄納米片狀結(jié)構(gòu)，比較粗糙，同時(shí)并未發(fā)現(xiàn)其他形貌，且存在團(tuán)聚現(xiàn)象。

2.2  XRD的測(cè)試及氣敏性能分析

2.2.1  XRD的測(cè)試

圖3  （a）SnO2樣品在最佳工作溫度下,在不同濃度乙醇?xì)怏w中響應(yīng)值的折線圖

（b）SnO2樣品在的X射線衍射圖譜

（c）SnO2樣品在最佳工作溫度下在不同氛圍中靈敏度對(duì)比圖

（d）SnO2樣品穩(wěn)定性曲線圖

（e）SnO2樣品在100 ppm 乙醇?xì)夥罩胁煌墓ぷ鳒囟扰c靈敏度的對(duì)應(yīng)曲線圖

（f）SnO2樣品響應(yīng)和恢復(fù)曲線圖

（g）SnO2樣品在最佳工作溫度下,濃度響應(yīng)曲線圖

利用X射線衍射（XRD)圖譜對(duì)退火樣品SnO2進(jìn)行了測(cè)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(duì)應(yīng)。

2.2.2  氣敏性能分析

利用智能氣敏分析系統(tǒng)對(duì)樣品SnO2的氣敏性能進(jìn)行測(cè)試。如圖3（a）、（c）、（g）、（e）所示：

首先，是對(duì)SnO2樣品最佳工作溫度的測(cè)量。圖3（e）是濃度為100ppm 的乙醇?xì)怏w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:當(dāng)溫度低于175℃時(shí)，靈敏度隨溫度的進(jìn)一步升高，靈敏度逐漸增大；當(dāng)溫度達(dá)到175℃時(shí)，靈敏度達(dá)到峰值且其數(shù)值為12.14；當(dāng)溫度高于175℃時(shí)，靈敏度隨工作溫度的進(jìn)一步升高，靈敏度逐漸減??；由此可見(jiàn)，樣品最佳工作溫度為175℃。接下來(lái)，測(cè)量了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(shí)靈敏度的對(duì)比。如圖可知，在100 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樣品在乙醇這種氣體環(huán)境中靈敏度最高，其數(shù)值為12.14。其次是甲醛氣體，其數(shù)值為7.68。其他氣體的響應(yīng)相對(duì)較低，其中在甲醇?xì)夥罩械撵`敏度為1.84，在氨水氣氛中的靈敏度為1.21，在丙酮?dú)夥罩械撵`敏度為1.56。通過(guò)對(duì)比可知，SnO2樣品在乙醇和甲醛氣氛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?xì)怏w中響應(yīng)值的折線圖。由圖像可知，隨著乙醇?xì)怏w濃度的增加響應(yīng)值不斷增大，其中當(dāng)乙醇?xì)怏w濃度為500ppm時(shí)，靈敏度最高。圖3（g）為樣品在最佳工作溫度175℃時(shí)，不同濃度的乙醇?xì)怏w(分別為10ppm、20ppm、50ppm、100ppm、200ppm、500ppm)的靈敏度與響應(yīng)的對(duì)比曲線。

通過(guò)上述對(duì)SnO2樣品的靈敏度、選擇性的測(cè)量與分析。又對(duì)SnO2樣品的穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)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。

接著，對(duì)樣品的響應(yīng)時(shí)間及恢復(fù)時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試分析，如圖3（f）所示。圖3（f）是SnO2樣品響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間曲線圖。由圖可知，SnO2樣品的響應(yīng)時(shí)間為7s，恢復(fù)時(shí)間為52 s。

2.3  與其他樣品的對(duì)比

本實(shí)驗(yàn)中，利用水熱法制備SnO2納米結(jié)構(gòu)。此實(shí)驗(yàn)中，SnO2樣品的最佳工作溫度為175℃，且呈納米片狀結(jié)構(gòu)；且在最佳工作溫度下（175℃）的靈敏度為12.14。

在對(duì)比樣品SnO2中，利用水熱法制備SnO2納米結(jié)構(gòu)。在實(shí)驗(yàn)中使用了表面復(fù)雜的表面活性劑，比如：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(duì)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(zhǎng)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(shí)間和恢復(fù)時(shí)間分別為2s和20s。

通過(guò)上述對(duì)比可見(jiàn)，本樣品的靈敏度（12.14）優(yōu)于對(duì)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(duì)比樣品的最佳工作溫度（220℃）低。相比之下，本實(shí)驗(yàn)方案比對(duì)比樣品SnO2的實(shí)驗(yàn)方案更為簡(jiǎn)單。

3  實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)成功制備了SnO2納米片狀結(jié)構(gòu)，且在最佳工作溫度175℃、100ppm濃度下，靈敏度為12.14，樣品對(duì)乙醇、甲醛等氣體選擇性良好，穩(wěn)定性良好。響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間分別為7s和52s。

4  結(jié)語(yǔ)

本次實(shí)驗(yàn)雖然已經(jīng)成功制備SnO2納米片狀結(jié)構(gòu)，但從目前數(shù)據(jù)來(lái)看，SnO2樣品對(duì)甲醇、氨水、丙酮等氣體的靈敏度還不是很理想，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，傳感器需要對(duì)目標(biāo)氣體有良好的選擇性，因此仍需要進(jìn)一步改善和提高SnO2對(duì)其他氣體的靈敏程度。也應(yīng)盡可能提高樣品響應(yīng)的速度，使其快速的響應(yīng)。以滿足當(dāng)前和未來(lái)的環(huán)境及能源相關(guān)需求。

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