SnO2氣敏材料的制備及對(duì)NO2氣敏性能研究.pdf

1、二氧化錫是一種具有金紅石相n型半導(dǎo)體特性的金屬氧化物半導(dǎo)體，其晶體結(jié)構(gòu)屬于立方晶系。因具有物理、化學(xué)性能穩(wěn)定、機(jī)械性能良好、易制備等特點(diǎn)，SnO2多年來(lái)受到研究者的廣泛關(guān)注，在金屬氧化物半導(dǎo)體氣體敏感材料中具有核心地位。但目前常見(jiàn)的二氧化錫氣體敏感材料普遍存在著制約其實(shí)際應(yīng)用的缺陷:首先，常見(jiàn)的傳統(tǒng)二氧化錫材料存在著選擇性較差的缺陷，這使其在針對(duì)性檢測(cè)污染氣體的實(shí)際應(yīng)用中易受到其他氣體產(chǎn)生的信號(hào)干擾，降低檢測(cè)的準(zhǔn)確性;其次，傳統(tǒng)二氧化錫

2、材料存在著使用壽命相對(duì)較低的缺陷，這限制了其在氣敏檢測(cè)過(guò)程中測(cè)試結(jié)果的可靠性;同時(shí)，絕大部分的二氧化錫材料在氣敏性檢測(cè)過(guò)程中需要較高的工作溫度，大大提高了其應(yīng)用成本。為解決限制二氧化錫氣敏材料應(yīng)用的缺陷，本文提出制備具有高比表面積結(jié)構(gòu)的SnO2材料，并對(duì)其進(jìn)行表面修飾，實(shí)現(xiàn)其氣敏響應(yīng)的提高及工作溫度的降低。
　　論文中，本課題組通過(guò)溶劑熱法制備了具有多孔球結(jié)構(gòu)的二氧化錫材料，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)納米Sb2O5修飾的方式在SnO2與修飾

3、成分兩相接合處構(gòu)成大量p-n異質(zhì)結(jié)，并對(duì)該復(fù)合材料的氣體敏感性能及機(jī)理進(jìn)行研究。
　　本論文的主要內(nèi)容如下:
　　1.以結(jié)晶四氯化錫為錫源、無(wú)水甲醇為有機(jī)溶劑、聚乙烯吡咯烷酮為表面活性劑，采用一步溶劑熱法并通過(guò)調(diào)控錫源與表面活性劑的質(zhì)量比、反應(yīng)溫度及反應(yīng)時(shí)間成功合成了具有多孔結(jié)構(gòu)的SnO2介孔球。對(duì)SnO2多孔球的X射線衍射圖譜進(jìn)行分析，結(jié)果顯示所合成的二氧化錫為金紅石相且無(wú)其它雜質(zhì)。掃描電鏡和透射電鏡照片表明SnO2多孔球

4、由大量5-20 nm直徑的SnO2納米顆粒堆積而成，其直徑約為0.5-1μm。BET檢測(cè)結(jié)果顯示，SnO2多孔球的比表面積為39.3 m2g-1。
　　2.對(duì)合成的多孔結(jié)構(gòu)的SnO2介孔球進(jìn)行針對(duì)NO2氣體的氣體敏感性檢測(cè)。檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，SnO2多孔球的最佳工作溫度為260℃。對(duì)比已報(bào)道的傳統(tǒng)無(wú)定形SnO2材料，SnO2多孔球在響應(yīng)值及響應(yīng)恢復(fù)速度上均有提高。多孔球結(jié)構(gòu)良好的氣敏性能主要應(yīng)歸因于其更大的比表面積，這為氣體檢測(cè)提供了

5、更多的高活性暴露面。
　　3.以所合成的SnO2多孔球粉末材料為基體材料，以SbCl3為銻源，通過(guò)氧化還原的方法制備了Sb2O5納米顆粒修飾的SnO2多孔球復(fù)合材料。掃描電鏡、透射電鏡及X射線能譜元素圖像顯示，表面修飾的Sb2O5納米顆粒平均尺寸在10nm以下，呈薄片狀均勻散布于多孔結(jié)構(gòu)的SnO2介孔球外部。BET檢測(cè)結(jié)果顯示，由Sb2O5修飾后的SnO2多孔球的比表面積減小為37.2 m2g-1。經(jīng)X射線光電子能譜分析顯示，所得

6、的復(fù)合材料中修飾成分純凈無(wú)雜質(zhì)，Sb元素均以+5價(jià)態(tài)形式存在。
　　4.對(duì)合成的Sb2O5納米顆粒修飾的SnO2多孔球進(jìn)行針對(duì)NO2氣體的氣體敏感性檢測(cè)。檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，復(fù)合材料的最佳工作溫度降低至100℃。在相同濃度的NO2氣氛環(huán)境下，修飾后的SnO2多孔球的響應(yīng)值約為未修飾的SnO2多孔球的3倍。通過(guò)與其他測(cè)試氣體的對(duì)比得出，該復(fù)合材料同樣擁有理想的針對(duì)NO2氣體的選擇性。Sb2O5修飾的SnO2多孔球氣敏性能的提高是由于在n型

7、半導(dǎo)體SnO2表面修飾p型半導(dǎo)體Sb2O5后，兩者接觸面形成大量p-n異質(zhì)結(jié)，該異質(zhì)結(jié)構(gòu)不僅降低了氣敏反應(yīng)所需的活化能更使復(fù)合材料在電子傳輸過(guò)程中產(chǎn)生新的勢(shì)壘，提高了材料的氣體敏感性能。
　　綜上所述，本文合成了具有多孔結(jié)構(gòu)的SnO2介孔球，并對(duì)其進(jìn)行Sb2O5表面修飾。結(jié)果顯示修飾成分的引入有效的提高了材料對(duì)NO2氣體的響應(yīng)，大大降低了氣敏反應(yīng)所需的工作溫度。這種簡(jiǎn)單的合成方法及更出色的氣體敏感特性使Sb2O5納米顆粒修飾的Sn