ZnSnO3和CuPc/ZnO气敏材料的制备及性能研究

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物联网是继计算机、互联网与移动通信之后的又一次信息产业浪潮,作为物联网感知层重要组成部分之一的传感器,是物联网的基础单元,是物联网获取相关信息的直接手段。气敏传感器是传感器的一种,广泛应用于电子鼻、电子舌等仿生系统的设计中,在环境监测和环境保护的应用中具有重要的实用意义。ZnSnO3是一种复合氧化物半导体气敏材料,对CH3CH2OH、H2S等还原性气体具有良好的气敏性能。本文实验首先以溶解-热解法制备出SnO2前驱体,然后在不同条件下与锌盐反应、煅烧得到ZnSnO3气敏材料,通过测试其气敏性能以确定最佳的表面活性剂种类、浓度、前驱体的煅烧温度以及掺杂剂的种类和掺杂比例等。另外,有机/无机杂化材料是一种新型的多功能材料,本文对CuPc/ZnO杂化材料的制备和气敏性能进行了初步的探讨。(1)以柠檬酸和锡粒为原料,利用溶解-热解法制备SnO2前驱体;在乙醇溶液中将SnO2前驱体与Zn(CH3COO)2·2H2O分别在表面活性剂PVP、CTAB、PEG600、PEG1000和PEG2000的辅助下反应、干燥和预烧得到复合氧化物前驱体,最后600℃煅烧得到ZnSnO3粉体。XRD测试表明产物为ZnSnO3,SEM测试表明产物为海绵状疏松结构,其中以CTAB辅助合成产物的疏松程度最大。对煅烧产物进行气敏性能测试,发现其中经过表面活性剂CTAB辅助合成的ZnSnO3气敏性能得到了较大的改善,与未使用CTAB辅助合成的粉体相比,检测H2S气体的最佳工作温度由290℃降低到了255℃,对100ppm H2S气体的灵敏度提高到369.9。相同条件下对CH3CH2OH气体的灵敏度提高幅度较小,因而大大增强了其选择性,选择性系数K H2S/CH3C H2OH达到34.2;同时对低浓度的H2S气体也具有较高的灵敏度和选择性。(2)以CTAB为表面活性剂,研究其浓度和复合氧化物前驱体煅烧温度等条件的选择对产物气敏性能的影响。取表面活性剂CTAB的浓度分别为0.2M、0.4M和0.6M,并将得到的复合氧化物前驱体在不同温度下煅烧。XRD测试表明在500℃、600℃和700℃的煅烧产物中主要成分为ZnSnO3。对500℃、600℃和700℃温度下的煅烧产物进行气敏性能测试,发现0.2M CTAB辅助合成的复合氧化物前驱体在600℃温度下的煅烧产物具有最佳的气敏性能。(3)以0.2M CTAB表面活性剂和600℃煅烧作为确定条件,将La(NO3)3·6H2O和Ce(NO33·3H2O做为La、Ce掺杂源,分别以Zn量的1%、3%、5%、7%和9%(摩尔数)为掺杂比例对ZnSnO3进行稀土元素掺杂。气敏性能测试发现两种稀土元素均在3%(摩尔数)掺杂时对100ppm H2S气体的灵敏度最高,与未掺杂样品相比最佳工作温度进一步降低,由255℃降低到210℃,同时保持了良好的选择性。同样3%比例掺杂条件下,Ce掺杂样品对100ppm H2S灵敏度的提高幅度要大于La掺杂样品,但从选择性方面来讲,La掺杂优于Ce掺杂。(4)分别合成CuPc和ZnO纳米粒子的氯仿溶液,然后利用溶液法制备得到几种不同ZnO质量含量w(ZnO)的CuPc/ZnO杂化材料,对杂化材料进行XRD测试,发现随ZnO含量的增加,ZnO的特征峰越来越明显,说明CuPc/ZnO杂化材料中ZnO的比例在超过某一极限值时,多余部分会从杂化材料中分离出来而单独存在。对杂化材料进行气敏性能测试,发现当杂化材料中w(ZnO)=10%时灵敏度最高,可以用来检测低浓度的Cl2,并具有较好的选择性和响应特性,但恢复时间较长。
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