稀土氧化物掺杂SnO2材料的制备及对TMA气敏性的研究

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三甲胺(TMA)气体是鱼类水产品变质后释放的主要气体,也是城市下水道释放的主要恶臭气体之一。本文针对城市下水道释放的三甲胺气体,研制了低功耗、高灵敏度和选择性、检测低浓度TMA的气敏传感器,取得了较好的结果。在调研文献的基础上,综述了SnO2及掺杂几种稀土氧化物气敏传感器的研究背景和TMA气体传感器的研究现状及意义,研究内容可分为以下三部分:采用均相沉淀法制备了纯SnO2及掺杂La2O3、Y2O3、CeO2的SnO2超细颗粒,采用尿素为引发剂,柠檬酸作为分散剂,准确控制实验条件,通过SnO2粉体前驱体分散性实验确定了获得分散性好的胶体颗粒的制备条件,对制备的粉体进行了差热-热重(DTA-TG)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、ζ电动电位测定等性质表征。结果表明:纯SnO2前驱体的灼烧温度为450℃,掺杂La2O3的SnO2前驱体灼烧温度为500℃;SnO2粒子、掺杂质量分数为5%的La2O3、Y2O3及CeO2的SnO2粉体的平均粒径分别为8.9 nm、4.3 nm、10.1 nm、9.8 nm;掺杂后的SnO2材料,除了含有氧化物La2O3、Y2O3、CeO2外,SnO2还与La2O3、Y2O3形成了复合物La2Sn2O7、Y2Sn2O7,还存在其他形式的La、Y、Ce;SnO2粒子在溶液中表面带负电,纯SnO2及掺杂5%的La2O3、Y2O3、CeO2的SnO2粉体的等电点分别为3.45、5.08、6.34、5.57,掺杂稀土金属氧化物后的等电点介于纯SnO2和稀土氧化物之间,说明SnO2粒子表面含有La2O3、Y2O3、CeO2,使其表面带电性质发生改变。实验采用静态配气法配制了TMA气体及氨气、丙酮和甲醛气体,采用离子色谱法测定TMA气体浓度。将制各的粉体制作成旁热式气敏元件,接入气敏测试系统。在加热电压3 V~6 V范围内,测试各元件对5 ppm~65 ppmTMA气体的响应灵敏度,分析、比较了它们对三甲胺气体的响应性和选择性,确定了气敏传感器最佳工作条件、对TMA灵敏度较好的掺杂材料和稀土氧化物掺杂质量含量。实验结果表明:纯SnO2对较低浓度的TMA响应性较差,掺杂La2O3、Y2O3及CeO2后,SnO2基材元件对三甲胺的灵敏度大大提高,掺杂后元件检测的最低浓度达到5 ppm;5%La2O3/SnO2、5%Y2O3/SnO2及5%CeO2/SnO2元件最佳加热电压均低于纯SnO2元件;在其他条件相同时,掺杂La2O3的SnO2材料对TMA的响应性优于掺杂Y2O3和CeO2,对氨气、丙酮、甲醛的分辨率分别达到6.7,12,9.4。当La2O3掺杂质量含量为5%、加热电压为5V时,对三甲胺的气敏性最好。本文结合吸附化学理论和实验数据分析结果,探讨了纯SnO2及掺杂La2O3、Y2O3、CeO2的SnO2气敏传感器对TMA响应的敏感机理。实验研究了5%La2O3/SnO2、5%Y2O3/SnO2及3%CeO2/SnO2元件在最佳加热电压下,对氨气、丙酮和甲醛三种干扰气体的响应灵敏度,分析了各元件对TMA气体的选择性,结果表明:5%La2O3/SnO2元件对TMA气体的选择性最佳。并将5%La2O3/SnO2元件应用于污水污泥中臭气的检测,每个样品平行测定三次的结果基本一致,气敏元件的重复性良好,具有一定的实际应用价值和意义。
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