ZnSnO3复合气体传感材料的制备及其气敏性能研究

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锡酸锌(ZnSnO3)对室内的主要污染气体(甲醛、苯、氨气、及二氧化碳)均敏感,是目前实验研究及商业应用中最主要的半导体金属氧化物气体传感材料。但直接用普通ZnSnO3材料对于微量气体的检测存在着灵敏度低、工作温度较高、选择性和稳定性差等缺点。所以通过控制高活性ZnSnO3纳米复合材料的合成来提高材料的电导率,改善其灵敏度、稳定性和选择性是有价值的。本文通过用不同表面活性剂水热合成了三种不同的ZnSnO3纳米材料、一步水热法合成了rGO掺杂的ZnSn03复合材料、二步水热法合成了ZnFe2O4/ZnSnO3的复合材料及一步水热法合成了ZnWO4/ZnSnO3复合材料。具体内容如下:
  (1)采用不同表面活性剂通过一步水热法成功制备出了三种不同的ZnSnO3纳米晶体。利用NaF作为辅助原料,制备了具有一定分层多孔结构的ZnSnO3纳米晶体,观察发现该纳米晶体材料具有最好的灵敏度和最大的氧空位。此外,与其他两种纳米晶体传感器相比,以NaF作为辅助原料的ZnSnO3纳米晶体传感器对甲醛气体的气敏性能最优。这种具有分层多孔结构的ZnSnO3有望成为一种潜在气敏材料去检测甲醛气体。
  (2)采用一步水热法成功合成了不同rGO掺杂的ZnSnO3复合材料,应用X射线衍射、红外光谱分析仪、扫描电子显微镜、热重分析仪、X射线光电子能谱分析仪和比表面积分析仪对复合材料的结构形貌,热稳定性,化学组成及比表面积等进行了表征,并对目标气体(乙醇、丙酮、氨气、苯以及甲醛)进行气敏性能研究。实验结果表明,rGO掺杂ZnSnO3可以有效的改善ZnSnO3的气敏性能,其中4%rGO/ZnSnO3复合材料对30ppm甲醛气体具有最高的灵敏度(38.9),快速的响应恢复时间(112s,15s),及良好的选择性和稳定性。
  (3)通过简单的两步水热法和随后的热处理合成了ZnFe2O4/ZnSnO3复合材料。通过XRD、XPS、BET、SEM、DR-FTIR和TEM等技术对产物的结构、形貌和组成进行了表征,并对复合材料的气敏性能进行了全面研究。ZnFe2O4/ZnSnO3复合材料由ZnSnO3立方体和类似海胆状的ZnFe2O4组成。制备的ZnFe2O4/ZnSnO3-0.25气体传感器对丙酮气体具有良好的气敏性能,包括快速的响应恢复时间(9/16s对30ppm的丙酮)、较低的工作温度(200℃)、长期稳定性和良好的抗湿能力。ZnFe2O4/ZnSnO3-0.25复合材料具有良好的气敏性能可能是由于其较大的比表面积、氧空位和p-n异质结。结果表明,ZnFe2O4/ZnSnO3-0.25传感器在快速、准确地检测丙酮方面具有广阔的应用前景,可用于监测环境和保护人体的健康。
  (4)采用一步水热法制备了ZnWO4/ZnSnO3复合材料。通过XRD、SEM、TEM、BET和XPS对ZnWO4/ZnSnO3复合材料的结构、形貌和化学成分进行了表征。ZnWO4与ZnSnO3复合后增强了甲醛气体的气敏性能,对30ppm甲醛气体具有很好的气体响应(73),较低的操作温度(180℃)和快速的响应恢复时间(142s/14s)。这种独特的ZnWO4/ZnSnO3复合材料可以作为一种潜在的气敏材料来检测甲醛。
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