水热法制备的SnO2基气敏材料对几种有毒气体的气敏性能及其原位漫反射傅里叶变换红外光谱研究

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金属氧化物半导体(MOS)气敏传感器因其较低的价格、较高的响应值、较短的响应和恢复时间等诸多优势而受到人们的普遍关注。而原位漫反射傅里叶变换红外光谱(in situ DRIFTS)技术可模拟现实条件下气体与气敏膜界面的反应及其进程,进而为研究其气敏机理提供理论基础。本文首先采用水热法合成了SnO2和SnO2/rGO两种气敏材料,然后采用丝网印刷技术制备了SnO2和SnO2/rGO两种气体传感器,接着研究了这两种气敏传感器对乙醚、四氯乙烯、丙烯腈、乙腈、乙胺和三氯乙烯六种有毒气体的气敏性能,最后采用in situ DRIFTS技术研究了这六种有毒气体分别在SnO2和SnO2/rGO气敏膜界面的吸附和化学反应过程,得出了如下主要结论:(1)水热法合成的SnO2和SnO2/rGO两种气敏膜的SnO2晶体结构均为金红石结构;前者的比表面积为143.702 m2/g,后者的比表面积为187m2/g。(2)SnO2/rGO和SnO2气敏材料对于乙醚气敏性能的最佳工作温度均为380℃,浓度检测极限均达1ppm。在最佳工作温度下,SnO2/rGO与SnO2相比,其对乙醚的气敏值高,且响应恢复时间短。In situ DRIFTS测试结果表明:CH3CH2·、CH3CH2O·、CH3CH2OH、HCHO、CH3CHO、C2H4、H2O和CO2均在SnO2/rGO和SnO2气敏膜表面生成。(3)SnO2/rGO气敏材料对于四氯乙烯气敏性能的最佳工作温度为350℃,而SnO2的气敏性随温度升高一直升高,浓度检测限均可达1ppm。在350℃,SnO2/rGO对四氯乙烯的气敏值比SnO2高,且其响应恢复时间较SnO2的短。In situ DRIFTS测试结果表明:TCAC、COCl2、Cl2和CO2均在SnO2/rGO和SnO2气敏膜表面生成。(4)SnO2/rGO气敏材料对于丙烯腈气敏性能的最佳工作温度为380℃,而SnO2的气敏性随温度升高一直升高,浓度检测限均可达5ppm。在380℃,SnO2/rGO对丙烯腈的气敏值比SnO2高,且其响应恢复时间较SnO2的短。In situ DRIFTS测试结果表明:CH2=CH-CONH2、CH2=CHCOOH、-NCO、NH3、N2、H2O和CO2均在SnO2/rGO和SnO2气敏膜表面生成。(5)SnO2/rGO气敏材料对于乙腈气体敏感的最佳工作温度为380℃,而SnO2的气敏性随温度升高一直升高,浓度检测限均达1ppm。在380℃,SnO2/rGO对乙腈的气敏值比SnO2高,且其响应恢复时间较SnO2的短。In situ DRIFTS测试结果表明:CH3O、CH2CNH、CHOO、HCN、H2O和CO2均在SnO2/rGO和SnO2气敏膜表面生成。(6)SnO2/rGO和SnO2气敏材料对乙胺气体的气敏值在研究的室温—400℃温度范围内一直增大,检测浓度限均为1ppm。400℃时,SnO2/rGO与SnO2相比,其对乙胺的气敏值高,且响应恢复时间短。In situ DRIFTS测试结果表明:CH3CN、CH3O、H2O和CO2均在SnO2/rGO和SnO2气敏膜表面生成。(7)SnO2/rGO和SnO2对三氯乙烯的最佳工作温度均为300℃,浓度检测限均为5ppm。300℃下,SnO2/rGO与SnO2相比,其对三氯乙烯的气敏值高,且响应恢复时间短。In situ DRIFTS测试结果说明,DCAC、CH2ClCOO-、COCl2、HCl、CO2、CO、H2O、Cl2均在SnO2/rGO表面生成。
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