过渡金属掺杂的LaMO3(M=Cr,Ni)复合氧化物的合成与气敏性质研究

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ABO3钙钛矿型氧化物具有高度的热稳定性和晶体结构稳定性,并且对某些气体具有很高的灵敏度和良好的选择性,其气敏特性还可以通过A位或B位的掺杂而得到改善,近年来引起了研究者的广泛关注。本文采用柠檬酸盐溶胶-凝胶法合成了LaCr1-xMxO3(M=Co,Fe,Ni,Sn,Ti)和LaNi1-xTixO3系列化合物的纳米粉体,并制备了厚膜型气敏元件,在丙酮、乙醇、正丙醇、甲醇、甲醛等有机气体中测试了它们的气敏性能。利用磁控溅射技术,在Al2O3基片上制备了LaNi0.5Ti0.5O3基薄膜型气敏元件,并对其进行了气敏性能测试。所得结果摘要如下:(1)LaCr0.9Co0.1O3、LaCr0.9Fe0.1O3、LaCr0.9Ni0.1O3、LaCr0.95Sn0.05O3和LaCr1-xTixO3(x=0.0-0.3)粉体为正交单相钙钛矿结构,其厚膜型气敏元件在350℃时对丙酮、乙醇、正丙醇、甲醇、甲醛等有机气体的气敏性能测试表明:0.1mol Co、Fe、Ni和0.05mol Sn元素在LaCrO3的B位进行掺杂后,不能有效提高材料对以上测试气体的气敏性能;而Ti元素的适量掺杂可以极大地改善LaCrO3的气敏性能,使之显示出对丙酮气体的高灵敏度和快速响应恢复能力。(2)对于LaNi1-xTixO3体系,当0.0≤x≤0.7时为单相钙钛矿结构,x=0.8时开始出现La2Ti2O7相,x>0.8后完全转变为La2Ti2O7结构。在LaNiO3的B位掺杂Ti元素,可以显著影响材料的晶体结构、导电性及活化能,并且通过调整Ti元素的掺杂比例可以提高材料对丙酮气体的灵敏度和选择性。气敏测试结果显示,当掺杂量x=0.5时厚膜型气敏元件在350℃条件下具有极好的丙酮气体敏感性能,与LaCr1-xTixO3材料相比,LaNi0.5Ti0.5O3在初始电阻、灵敏度、选择性等方面都得到了极大的改善和提高。其丙酮气体敏感性能主要来源于以下过程:丙酮气体分子与吸附氧之间发生反应形成中间体{acetone-oxygen},中间体随即发生分解和氧化,并最终生成CH3COOH,在350℃下CH3COOH从敏感材料表面脱附。(3)利用磁控溅射技术制备了LaNi0.5Ti0.5O3薄膜,经过700℃热处理3h后基本保持了其粉体的组成及表面状态。与厚膜样品相比,LaNi0.5Ti0.5O3薄膜的导电性明显提高,在350℃下对丙酮气体的选择性也有所提高,但是灵敏度和响应恢复性能有所下降,还需要探寻更佳的薄膜溅射工艺条件。
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