【摘 要】
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气敏传感器因兼备制造成本低、体积小、能耗低等优势,在监测众多挥发性有机物气体（VOCs）中扮演着重要角色,而传感材料作为气敏传感器器件中最重要的组成部分,直接决定传感器性能的优劣,因此对其开发及优化成为气敏传感器研究领域内的热点课题。本文选择以复合型金属氧化物偏锡酸锌（ZnSnO3）作为基体材料,掺杂还原氧化石墨烯（rGO）、Bi与CuO 及Ce对ZnSnO3基体进行改性工作,成功得到ZnSnO3
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气敏传感器因兼备制造成本低、体积小、能耗低等优势,在监测众多挥发性有机物气体（VOCs）中扮演着重要角色,而传感材料作为气敏传感器器件中最重要的组成部分,直接决定传感器性能的优劣,因此对其开发及优化成为气敏传感器研究领域内的热点课题。本文选择以复合型金属氧化物偏锡酸锌（ZnSnO3）作为基体材料,掺杂还原氧化石墨烯（rGO）、Bi与CuO 及Ce对ZnSnO3基体进行改性工作,成功得到ZnSnO3/rGO、Bi-ZnSnO3/CuO 及Ce-ZnSnO3复合材料。其结构、微观形貌、比表面积与孔径、价态组成信息分别以X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、氮气等温吸脱附（BET）以及X射线光电子能谱（XPS）来表征得到。气敏测试结果表明这些措施明显改善了基体材料在实际应用中最佳工作温度过高与选择性差的问题,此外根据上述表征结果分析了相应的气敏机理。本文研究结果如下所示:（1）采用水热法成功制备了ZnSnO3/rGO复合材料。研究表明rGO与ZnSnO3与仅以物理方式结合,并于界面处形成p-n异质结,复合材料呈现出分级多孔结构且拥有更大的比表面积。当rGO的掺杂含量为4 wt%时,复合材料对丙酮气体具有最优异的识别能力,对工作温度具有最低的依赖性,同时具有良好的长期稳定性,这些优异的性能使其有望成为丙酮气体检测中的一种可靠传感材料。ZnSnO3/rGO传感性能提升的原因在于其特殊的结构,大的比表面积以及p-n异质结。（2）采用原位沉淀法成功制备了Bi-ZnSnO3/CuO 复合材料。研究表明复合材料主要是由片层状的CuO 与立方块状ZnSnO3组成,两者于接触界面形成p-n异质结,复合材料表面具有丰富的孔结构并具有较大的比表面积。这些特征明都显改善了基体材料对丙酮气体的传感特性。具体表现为Bi-ZnSnO3/CuO （Bi:3.5wt%,CuO :10 wt%）复合材料最佳工作温度下降了50℃,对浓度为100 ppm的丙酮气体的响应值提高了5.59倍,而响应/恢复时间仅为4 s/12.5 s,同时兼备优异的选择性及重复性。（3）采用水热法成功制备了Ce-ZnSnO3材料。研究表明该复合材料呈二维片状结构,Ce的引入促使形成更多的氧缺陷。在作为传感材料对其进行气敏测试中发现Ce-ZnSnO3复合材料（0.5 at%）在350℃下对浓度为100 ppm正丁醇气体的响应值（2711.93）比纯ZnSnO3（245.18）提高了10倍以上,而响应/恢复时间仅为6 s/26 s。复合材料气敏性能大幅增强可归因于大量氧缺陷的形成,另外随着Ce含量的进一步增加,复合材料的气敏性能开始下降,原因在于更多的Ce3+在高温下转变为Ce4+,消耗掉了大量的氧空位。
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