基于铁酸镧纳米材料丙酮气敏传感器的研究

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丙酮作为良好溶剂和原料已广泛用于制药工业和化学实验室。丙酮可作为识别糖尿病的诊断工具,但长期接触会损害人体健康,且在空气中有易燃、易爆、易挥发的特性。因此,检测公众或人体中丙酮的浓度对于确认大气安全性和人体健康是特别必要的。作为认识和感知自然的重要工具,气敏传感器以其低成本,高响应,体积小,易集成等优点受到人们的关注,但是这类传感器往往存在工作温度较高、易受环境影响、检测限度窄等局限性,开发制备新型气敏材料是拓展其应用的核心问题。钙钛矿型铁酸镧(LaFeO3)是一种p型宽带隙半导体材料,与单一金属氧化物相比,其具有更丰富元素组成、高电导率、良好的高温热稳定性,在气体传感器领域有较好的应用前景。本文以铁酸镧为研究对象,通过溶胶-凝胶法对其Fe位进行不同比例的离子掺杂改性;随后又利用水热-退火法对其微观形貌进行控制,提升其丙酮气敏性能。进行如下研究工作:1.通过溶胶-凝胶法制备Co掺杂LaFe1-xCoxO3纳米材料薄膜,对其进行X射线衍射技术(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)和比表面积测试(BET)等多种表征,并研制了低功耗、高响应、抗湿性好的丙酮气敏传感器。结构表征表明,随着Co掺杂占比的增加,纳米薄膜的晶粒尺寸逐渐减小,Co离子掺入LaFeO3到晶格中。此外,Co掺杂有利于提高LaFeO3的电导率。与纯的LaFeO3(LFO)相比,掺杂后的LaFe0.9Co0.1O3(LFCO-0.1)基气敏传感器的最佳温度降低为110℃,对丙酮气敏特性最佳,对100 ppm丙酮的响应值达35.89。具有较快速的响应-恢复时间14/9 s。气敏性能增强原因可能是LFCO-0.1具有更多的表面氧空位和更大的比表面积(16.857 m~2/g)。此外,掺杂Co离子可改善LaFeO3传感器在18-54%RH下的抗湿性。2.以聚乙二醇作为造孔剂,通过简单水热-退火法制备LaFeO3多孔微球,利用XRD、傅里叶红外光谱(FT-IR)、SEM、透射电子显微镜(TEM)和BET多种手段对其进行表征,并研制了高响应、低检测限的丙酮气敏传感器。结构表征表明:退火温度会影响LaFeO3微球的多孔结构和孔隙特征。静态气敏测试结果表明,基于600℃退火下的LaFeO3(LaFeO3-600)气敏传感器的气敏性能最优,最佳工作温度为120℃,对100 ppm丙酮有显著的高响应(S=53.15)、对10 ppm丙酮响应值达18.2,具有9 s快速响应性、出色的选择性、良好的重现性和稳定性。并且对于较低浓度丙酮(1 ppm)仍有较高的响应度(S=4.53)。这有望用于丙酮的呼吸分析检测。另外通过第一性原理模拟计算丙酮和乙醇在LaFeO3(121)表面的吸附能,为气敏机理提供理论依据。
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