钙钛矿型BaTiO3与Cs2SnX6的合成及气湿敏性能研究

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基于钙钛矿纳米材料的传感器具有优良的传感性能,能够检测氧气、二氧化氮或二氧化碳等小分子。为了实现研发出低温工作、低功耗、高性能的气体和湿度传感器,可考虑利用具有钙钛矿结构纳米材料或合成新的钙钛矿材料。钛酸钡(BaTiO3)是一种具有典型钙钛矿结构的陶瓷材料,已被证明是优秀的阻抗式湿度传感材料,然而相应的人体呼吸监测应用尚未报道。此外,全无机的锡基卤化物钙钛矿Cs2Sn X6(X=Cl,Br和I)无铅无毒,在空气中稳定性好,并且以Sn4+存在不易发生氧化。同时Cs2Sn X6材料目前尚未应用到气体传感器方面。本文工作主要包括三部分,首先通过简单可控的熔盐法制备了不同形貌的BaTiO3纳米结构,研究了其湿敏性能并应用于呼吸监测。随后,通过简便可靠的室温液相合成法制备了不同盐酸(HCl)浓度的Cs2Sn Cl6和不同卤族元素的Cs2Sn X6(X=Cl,Br和I),并分别研究了它们的气敏性能。具体结果如下:1.通过熔盐法成功地制备了BaTiO3纳米结构,包括纳米带、纳米线和纳米颗粒。作为湿敏材料,合成的BaTiO3纳米结构与商用BaTiO3相比具有更高的响应值和更短的响应时间。尤其是BaTiO3纳米带湿度传感器具有良好的响应(Sr=1.82×10~3),最短的响应/恢复时间(1 s/22 s)和最小的滞后(ΔH=0.67%),优异的传感性能可归因于大比表面积和小孔径的协同效应。此外,BaTiO3纳米带湿度传感器在人体呼吸监测领域显示出相当大的潜力。这项工作为通过形貌控制的钙钛矿纳米结构检测人体相关的高性能湿度传感器提供了新的前景。2.采用室温液相合成法成功制备了四种不同HCl浓度的Cs2Sn Cl6。通过气敏测试研究了其传感性能,结果表明Cs2Sn Cl6-10传感器在最佳工作温度160℃下对200 ppm甲醛(HCHO)具有良好的选择性,较高的灵敏度(Sr=114),快速的响应/恢复时间(9.6 s/12 s),良好的可重现性和长期稳定性。优异的传感性能可归因到材料Cs2Sn Cl6-10具有较大的SA和由于Sn4+含量较多而稳定性更好等因素的协同作用。Sn4+含量较多会使竞争吸附的O2量少,从而能吸附到更多的目标气体HCHO分子。因此,考虑到卤化物钙钛矿Cs2Sn Cl6无毒无害且空气稳定性高,以及高灵敏度和高选择性等优势,可将它广泛应用到甲醛气体传感器方面,为研究新的传感材料开辟了一条道路。3.使用室温液相合成法成功制备了三种具有不同卤族元素的Cs2Sn Cl6、Cs2Sn Br6和Cs2Sn I6,并分别研究了其气敏性能。结果显示Cs2Sn I6传感器在室温下对100 ppm HCHO具有极好的选择性,超高的响应值(Sr=78),较短的响应/恢复时间(?3.6 s/3.6 s),良好的重复性和长期稳定性。优异的传感性能是由于Cs2Sn I6具有较大的比表面积和大孔径,为气体吸附提供了更多的活性位点和更多的允许气体吸附量。因此,基于卤化物钙钛矿Cs2Sn I6具有无铅无毒,空气稳定性好,以及在室温下高灵敏度和快速响应等优异性能,这对未来广泛应用到室温环境下检测甲醛浓度的气体传感器领域具有深远影响。
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