SnO2基复合材料的制备及其气敏性能研究

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金属氧化物半导体(MOS)因其成本低、操作方便、灵敏度高、响应/恢复时间短、物理和化学稳定性高而被认为是目前研究广泛的气敏材料之一。提高金属氧化物的气体灵敏度,降低其工作温度,是提升其气敏特性的关键。SnO2是最常见的宽带隙n型半导体气敏材料,强化SnO2的气敏特性、降低工作温度已经成为研究者亟待解决的问题。本文以SnO2为研究对象,采用微波-超声辅助法与煅烧工艺相结合制备了SnO2基复合材料,探究过渡金属氧化物复合、非金属元素掺杂和光活化方法对复合材料气敏特性的影响,具体研究工作如下:一、以二水合氯化亚锡(Sn Cl2·2H2O)为原料,尿素为沉淀剂,采用微波-超声辅助法与煅烧工艺相结合制备SnO2材料。考察煅烧温度对SnO2材料气敏性能的影响,当煅烧温度为500℃时制备的SnO2材料的气敏性能最佳。采用TG-DTA、XRD、SEM、TEM、UV-vis、M-S、XPS、BET对材料进行表征。结果表明,SnO2材料的晶粒尺寸为27.66 nm,禁带宽度为3.53 e V,比表面积为14.19 m~2/g,载流子密度为5.047×1020 cm-3。当工作温度为350℃时,SnO2材料对三乙胺气体的灵敏度优于其它目标气体,对50ppm三乙胺气体的灵敏度为1100,具有较短的响应时间和良好的稳定性。二、为降低SnO2对三乙胺的工作温度,同时提高气敏响应,将p型金属氧化物Cu O与其进行复合,制备具有p-n异质结的Cu O-SnO2复合材料。考察了不同Cu O复合量对复合材料的气敏性能影响,采用XRD、SEM、TEM、UV-vis、EIS、M-S、XPS、BET对材料进行表征。结果表明,与纯SnO2相比,Cu O-SnO2复合材料晶粒尺寸与禁带宽度减小,比表面积增大。Cu O的复合使SnO2的最佳工作温度由350℃降低为250℃,且在工作温度为250℃下对50 ppm三乙胺气体的灵敏度响应值为88.3,与纯SnO2相比提高5.12倍,Cu O-SnO2复合材料对三乙胺气体具有良好的气敏响应。三、为进一步增强SnO2材料的气敏性能并降低其工作温度,引入了非金属元素B,采用微波-超声辅助法与煅烧工艺相结合的方法合成B-SnO2复合材料,探究材料的气敏特性与气敏强化机理,采用XRD、SEM、TEM、UV-vis、EIS、M-S、PL、XPS、BET对材料进行表征。结果表明,与纯SnO2相比,B-SnO2复合材料晶粒尺寸与禁带宽度减小、比表面积增大。B-SnO2复合材料在300℃工作温度时,对1 ppm丙酮气体的灵敏度为49.4,与纯SnO2相比灵敏度提高26倍,B-SnO2复合材料对丙酮气体具有良好的气敏性能。四、采用光活化的方式降低3B-SnO2复合材料的工作温度,研究不同波长的光对材料气敏性能的影响,并探究气敏强化机理。研究表明,在波长为460~465 nm的光活化条件下,最佳工作温度为50℃时对10 ppm丙酮的灵敏度响应为13,且具有良好的稳定性。
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