静电纺丝法制备LaFeO3、PrFeO3纳米纤维及其气敏性能研究

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如今,伴随着工业化的快速发展和科学技术的日益提高,人们对于地球资源的消耗与日俱增。与其同时,各种各样的环境问题也相继浮现。工业生产和日常生活中产生的各种易爆、易燃、有毒有害气体无时无刻的向大气中排放,如氮氧化合物、硫氧化合物、一氧化碳等等,这些气体污染不仅对人类的生产生活环境造成了极大的影响,甚至还威胁着人类的生命财产安全。因此,实时监测周围环境中的有毒有害气体并报警防护已经成为人类不得不去面对并研发的课题。目前,对于有毒有害气体的检测方式主要包含有电化学法、气相色谱法和光学法。但由于其成本高和测试装置复杂的缺点,未能在实际生活中得到有效的推广运用。气敏传感器,是一种能够将待测气体的种类和浓度转换为电信号的元件,由于其制作成本低,响应值高,稳定性好等优点,已被广泛应用在化学化工,防护报警,空气检测等行业。但现阶段的气敏传感器,依旧存在着工作温度偏高,响应恢复时间较长,选择性不突出等需要改进的方面。选择出适当的基体材料并进行合理的优化是解决问题的核心,钙钛矿材料(ABO3,八面体结构)在太阳能电池,巨磁效应,光催化和高温电阻等方面有广泛应用,越来越多的研究人员把重点放在了钙钛矿稀土氧化物纳米材料上。本文采用静电纺丝成功制备了LaFeO3纳米纤维和中空PrFeO3纳米纤维,测试了样品的气敏性能并提出了合理的反应机理。主要研究如下:1.通过静电纺丝法和随后的煅烧处理,成功制备了掺杂钴元素的LaFeO3纳米纤维,并用XRD、SEM、TEM、EDX和BET等测量技术对样品进行了结构和形貌表征。结果表明所有样品直径不均一且表面粗糙,不同的是较纯的LaFeO3纳米纤维,掺杂有Co元素的LaFeO3样品的分散性也更好,比表面积更大。气敏测试结果表明:Co掺杂量为3 wt%的LaFeO3纳米纤维气敏性能最为优异,在130℃的最佳操作温度下,对500 ppm的冰乙酸的响应值高达435。相对于纯LaFeO3纳米纤维,掺杂后的气敏性能有非常显著的提高。2.通过静电纺丝法所得到的无纺布在空气中进行高温退火处理,得到了粗糙多孔的中空PrFeO3纳米纤维。纤维的平均直径约为135 nm,管壁约厚35 nm。用PrFeO3中空纳米纤维样品制成的气敏传感器在180℃的最佳操作温度下对丙酮表现出极好的选择性,在200 ppm丙酮气氛下,传感器有141的响应值,是对苯气体响应值的50倍(约为2.8)。除此之外,响应恢复时间也低至5 s和6 s。这可以表明我们所制备的中空PrFeO3纳米纤维对丙酮有好的选择性,高的响应值以及快速的响应恢复时间。此外,我们对于中空PrFeO3纳米纤维可能的形成机理及其气敏机理做了进一步的分析探究。
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