表面修饰SnO2中空纳米纤维及其气敏特性研究

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气体传感器在化工、医学和石油等领域有广泛应用,半导体气体传感器由于其制备方法简单、低成本和性能优异等特点而备受关注。SnO2是金红石结构的n型半导体材料,具有较宽的禁带宽度(3.6 eV)和良好的热稳定性,是目前最为热点的的气敏材料之一,对于如何提高SnO2的敏感性能一直是气体传感器研究领域的重要课题之一。由于半导体材料的气敏性质主要决定于该材料的形貌、化学组分及表面化学状态,通过表面修饰、复合等方法可以显著改善材料的气敏性能。本论文以电纺SnO2中空纳米纤维为研究对象,探索表面修饰异质结构对气敏性质的影响,主要研究内容如下:(1)以电纺SnO2中空纳米纤维为基体,通过溶液浸渍法和退火相结合的技术进行表面修饰,获得了PdO/SnO2复合纳米纤维材料。利用SEM、EDAX、XRD和XPS等测试对复合纳米纤维的形貌和结构进行表征,结果表明,Pd元素以二价(PdO)的形式成功负载在SnO2中空纳米纤维表面,对甲醛气敏测试结果显示,由于PdO纳米颗粒的引入,使SnO2传感器的最佳工作温度由200℃降为100℃,提高了对甲醛气体的灵敏度、降低了响应和恢复时间。贵金属氧化物PdO可能不仅加快了O2向化学吸附氧的转化率,同时降低气体反应所需的活化能,进而提高了材料的气敏性能。(2)以电纺SnO2中空纳米纤维为基体,通过紫外光原位还原结合煅烧方法制备PtOx/SnO2复合纳米纤维材料。研究结果表明,通过调节溶液中H2PtCl6的浓度可以有效调控PtOx的负载量,其XPS、EDAX显示Pt元素以二价PtO和四价PtO2纳米颗粒存在。乙醇气敏研究结果表明,当PtOx的负载量为1.59 At%,PtOx/SnO2传感器对乙醇气体的灵敏度最好(150℃时,S=116),是SnO2传感器(S=5)的20倍,但对其他挥发性气体(如:甲苯等)的灵敏度影响较小,显示其对乙醇气体具有高灵敏度和良好的选择性。PtOx和SnO2之间的强相互作用,使其形成p-n异质结,增加了该材料耗尽层的厚度,有利于电子转移。进而提高了响应灵敏度;同时PtOx可能对乙醇有催化活性,为此提高了选择性。(3)进一步以电纺SnO2中空纳米纤维为基体,通过紫外光原位还原法和退火相结合的技术,获得了NiO/SnO2复合纳米纤维材料,通过EDAX、XRD和Raman的测试表明显示氧化物NiO成功修饰在SnO2中空纳米纤维表面。气敏测试研究发现,NiO/SnO2传感器随着温度T和H2浓度C的变化,出现“p-”至“n-”型转变现象,即在低温、低浓度时呈现“p-”型行为,随着温度和浓度升高,“p-”型行为逐渐转变为传统的“n-”型行为。该现象可能和响应过程中不同的电子转移过程有关,低温时和低浓度时表面电子转移表现为受主型行为,高温或高浓度时表现为施主型行为。这种H2气体浓度与器件工作温度依赖的“p-”型至“n-”型转变现象可用作H2检测的新策略。
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