SnO2/Mn3O4和Pt-SnO2/Fe2O3复合材料的制备及其气敏性

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在工业生产中,一氧化碳、氢气等常见的还原剂比较危险。乙醇、甲醛等有机挥发性气体对人体造成危害,需要实时检测防止发生泄漏危险。金属氧化物半导体(MOS)气体传感器具有成本低、制备简单等优点。但金属氧化物气体传感器对CO、H2等还原性气体存在交叉响应,无法区分。且针对乙醇等有机挥发性气体也需要快速、高灵敏度的检测。因此,高选择性、高灵敏度成为气体传感器的主要需求方向。针对传感器发展的应用需求,本论文采用溶胶-凝胶法和水热法制备了金属氧化物复合纳米材料,并对其进行了气敏测试。测试结果:制备的n-SnO2/p-Mn3O4复合纳米材料,可以实现对CO、H2的选择性识别。负载贵金属Pt的SnO2-Fe2O3的复合材料(摩尔比为1:0.3)对100 ppm乙醇的响应值达到54,响应和恢复时间分别为为14、15 s,灵敏度得到了极大提升。具体的研究结果如下:(1)采用溶胶-凝胶法制备了n-SnO2/p-Mn3O4复合纳米材料,并对不同Sn/Mn摩尔比例的复合材料进行了气敏测试。当Sn与Mn的摩尔比大于1:2.33时,复合材料对CO和H2呈现p型响应。当摩尔比小于1:2.33时,复合材料的对CO和H2呈现n型响应。当Sn与Mn的摩尔比为1:2.33时,S1M2.33(本文使用Sx My表示n-SnO2/p-Mn3O4纳米材料,其中X、Y为两者的摩尔比)对CO呈现n型响应,而对H2呈现相反的p型响应。结合XRD、HRTEM、XPS等表征方法阐明了这种对CO和H2呈现相反敏感响应行为的机理。(2)采用水热法制备了掺杂不同摩尔比(0 mol%、1 mol%、3 mol%、5 mol%)Pt的SnO2和Fe2O3,将其制成气敏元件,在250℃下测试了对乙醇的气敏性能。结果表明,掺杂1%Pt时的1%Pt-SnO2的复合材料对乙醇的响应值有提高。基于1%Pt-SnO2,通过两步水热法制备了不同比例Sn/Fe的1%Pt-SnO2/Fe2O3复合材料。结果表明,不同比例SnO2/Fe2O3复合材料的气敏性能优于纯SnO2和Fe2O3,最佳摩尔比为SnO2:Fe2O3=1:0.3(方便起见,简称Pt-S1F0.3),最佳工作温度为250℃,对100 ppm乙醇响应值为54,且稳定性和重复性良好。(3)结合实验和表征,针对n-SnO2/p-Mn3O4出现选择性的特性,结合能带理论阐述了界面吸附机理。Pt-SnO2/Fe2O3复合材料可以更好的检测乙醇气体,这归因于n-n结和贵金属负载导致表面化学状态变化,引起更多气体分子吸附、电荷转移致使响应值得到明显提升。
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