ZnSnO3和CuPc-ZnO氣敏材料的制備及性能研究.pdf

1、物聯(lián)網(wǎng)是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮，作為物聯(lián)網(wǎng)感知層重要組成部分之一的傳感器，是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)單元，是物聯(lián)網(wǎng)獲取相關(guān)信息的直接手段。氣敏傳感器是傳感器的一種，廣泛應(yīng)用于電子鼻、電子舌等仿生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，在環(huán)境監(jiān)測(cè)和環(huán)境保護(hù)的應(yīng)用中具有重要的實(shí)用意義。
　　ZnSnO3是一種復(fù)合氧化物半導(dǎo)體氣敏材料，對(duì)CH3CH2OH、H2S等還原性氣體具有良好的氣敏性能。本文實(shí)驗(yàn)首先以溶解-熱解法制備出SnO2前驅(qū)體，然后在

2、不同條件下與鋅鹽反應(yīng)、煅燒得到ZnSnO3氣敏材料，通過測(cè)試其氣敏性能以確定最佳的表面活性劑種類、濃度、前驅(qū)體的煅燒溫度以及摻雜劑的種類和摻雜比例等。另外，有機(jī)/無機(jī)雜化材料是一種新型的多功能材料，本文對(duì)CuPc/ZnO雜化材料的制備和氣敏性能進(jìn)行了初步的探討。
　　(1)以檸檬酸和錫粒為原料，利用溶解-熱解法制備SnO2前驅(qū)體；在乙醇溶液中將SnO2前驅(qū)體與Zn(CH3COO)2·2H2O分別在表面活性劑PVP、CTAB、PEG

3、600、PEG1000和PEG2000的輔助下反應(yīng)、干燥和預(yù)燒得到復(fù)合氧化物前驅(qū)體，最后600℃煅燒得到ZnSnO3粉體。XRD測(cè)試表明產(chǎn)物為ZnSnO3，SEM測(cè)試表明產(chǎn)物為海綿狀疏松結(jié)構(gòu)，其中以CTAB輔助合成產(chǎn)物的疏松程度最大。
　　對(duì)煅燒產(chǎn)物進(jìn)行氣敏性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其中經(jīng)過表面活性劑CTAB輔助合成的ZnSnO3氣敏性能得到了較大的改善，與未使用CTAB輔助合成的粉體相比，檢測(cè)H2S氣體的最佳工作溫度由290℃降低到了255

4、℃，對(duì)100ppm H2S氣體的靈敏度提高到369.9。相同條件下對(duì)CH3CH2OH氣體的靈敏度提高幅度較小，因而大大增強(qiáng)了其選擇性，選擇性系數(shù)KH2S/CH3CH2OH達(dá)到34.2；同時(shí)對(duì)低濃度的H2S氣體也具有較高的靈敏度和選擇性。
　　(2)以CTAB為表面活性劑，研究其濃度和復(fù)合氧化物前驅(qū)體煅燒溫度等條件的選擇對(duì)產(chǎn)物氣敏性能的影響。取表面活性劑CTAB的濃度分別為0.2M、0.4M和0.6M，并將得到的復(fù)合氧化物前驅(qū)體在不

5、同溫度下煅燒。XRD測(cè)試表明在500℃、600℃和700℃的煅燒產(chǎn)物中主要成分為ZnSnO3。
　　對(duì)500℃、600℃和700℃溫度下的煅燒產(chǎn)物進(jìn)行氣敏性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)0.2M CTAB輔助合成的復(fù)合氧化物前驅(qū)體在600℃溫度下的煅燒產(chǎn)物具有最佳的氣敏性能。
　　(3)以0.2M CTAB表面活性劑和600℃煅燒作為確定條件，將La(NO3)3·6H2O和Ce(NO3)3·3H2O做為L(zhǎng)a、Ce摻雜源，分別以Zn量的1％、3

6、％、5％、7％和9％(摩爾數(shù))為摻雜比例對(duì)ZnSnO3進(jìn)行稀土元素?fù)诫s。氣敏性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)兩種稀土元素均在3％(摩爾數(shù))摻雜時(shí)對(duì)100ppm H2S氣體的靈敏度最高，與未摻雜樣品相比最佳工作溫度進(jìn)一步降低，由255℃降低到210℃，同時(shí)保持了良好的選擇性。同樣3％比例摻雜條件下，Ce摻雜樣品對(duì)100ppm HES靈敏度的提高幅度要大于La摻雜樣品，但從選擇性方面來講，La摻雜優(yōu)于Ce摻雜。
　　(4)分別合成CuPc和ZnO納米粒子

7、的氯仿溶液，然后利用溶液法制備得到幾種不同ZnO質(zhì)量含量w(ZnO)的CuPc/ZnO雜化材料，對(duì)雜化材料進(jìn)行XRD測(cè)試，發(fā)現(xiàn)隨ZnO含量的增加，ZnO的特征峰越來越明顯，說明CuPc/ZnO雜化材料中ZnO的比例在超過某一極限值時(shí)，多余部分會(huì)從雜化材料中分離出來而單獨(dú)存在。
　　對(duì)雜化材料進(jìn)行氣敏性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)雜化材料中w(znO)=10％時(shí)靈敏度最高，可以用來檢測(cè)低濃度的Cl2，并具有較好的選擇性和響應(yīng)特性，但恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。