ZnFe2O4基气敏材料的合成及其气体传感性能研究

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行业和经济取得飞速发展的同时,也带来了各种有毒、有害、易燃易爆气体,如硫化氢(H2S)、挥发性有机化合物(VOCs)、氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)等,这对环境安全和人类健康构成了重大且持续性的威胁,因此对气体的分析、监测、检测及预警显得尤为必要。铁酸锌(Zn Fe2O4)是一种重要的n型金属氧化物半导体,其禁带宽度为1.9 e V,具有较高的催化活性和电导率,已成为了气体传感器范畴的重要组成部分。但目前从Zn Fe2O4的制备、传感性能来看,Zn Fe2O4材料的合成还较复杂且工作温度较高;从复合和掺杂来看,Zn Fe2O4基材料的气敏性能增强机理还没有很清晰的解释。因此,深化研讨Zn Fe2O4气敏材料的制备、改性方法、气敏特性以及气敏性能增强机制,具有重要的理论意义和应用价值。在本文中我们采用简单的水热法合成了Zn Fe2O4材料,同时通过不同策略来改性Zn Fe2O4材料,并对材料气敏特性进行测评,此外研究了其传感性能增强的可能机理,为开发新型高性能气体传感器的实际应用增加了可能性。具体内容如下:(1)通过简易的一步水热法合成了多孔Zn Fe2O4纳米球材料,并综合研究了Zn Fe2O4材料的气体传感性能。结果表明,基于Zn Fe2O4的传感器在低工作温度(150℃)下对30 ppm丙酮的灵敏度达到了65.74,响应-恢复时间为(150 s,59 s),同时展现出良好的可重复性和稳定性。表面粗糙多孔的球状Zn Fe2O4松散地堆叠在一起且高度分散,能为目标气体提供丰富的活性位点和便利的吸附-脱附通道,从而促进丙酮分子的扩散和表面氧化还原反应。(2)通过两步水热法合成了不同比例的Ca Fe2O4/Zn Fe2O4材料,结果表明,复合适宜量的Ca Fe2O4能改善Zn Fe2O4的气体传感性能。与Ca Fe2O4、Zn Fe2O4和其他比例的Ca Fe2O4/Zn Fe2O4相比,命名为Ca Fe2O4/Zn Fe2O4-2的复合材料对异戊二烯表现出最出色的气体传感性能。基于Ca Fe2O4/Zn Fe2O4-2的传感器对30 ppm异戊二烯的灵敏度为19.50,比Ca Fe2O4和Zn Fe2O4分别高6.3和2.9倍,此外,其还具有良好的抗湿性、长期稳定性、快速响应恢复时间(72 s,35 s)。Ca Fe2O4/Zn Fe2O4-2的出色气体传感性能可归因于其电子-空穴分离率提高、氧空位含量高、比表面积大、带隙变窄以及p-n异质结的形成。因此,适宜量的Ca Fe2O4与Zn Fe2O4复合是提高异戊二烯传感性能的有效策略。(3)通过简单的一步水热法合成了Pd@g-C3N4/Zn Fe2O4材料。由薄片g-C3N4和贵金属Pd修饰的Zn Fe2O4能产生丰富的活性物质、形成同质结和肖特基结发生协同效应,这使得Pd@g-C3N4/Zn Fe2O4复合材料具有高电子-空穴分离率、电荷转移能力和氧空位缺陷的特点。结果表明,与Zn Fe2O4和g-C3N4/Zn Fe2O4相比,Pd@g-C3N4/Zn Fe2O4对三乙胺表现出最佳的气体传感性能。基于Pd@g-C3N4/Zn Fe2O4的传感器对30 ppm三乙胺的灵敏度(S)高达85,比Zn Fe2O4(S=18)约高4.7倍,比g-C3N4/Zn Fe2O4(S=34)约高2.5倍。同时,基于Pd@g-C3N4/Zn Fe2O4的传感器还具有良好的恢复性、长期稳定性、选择性、快速响应恢复时间(39 s,28 s)。因此,用薄片g-C3N4和贵金属Pd纳米粒子修饰Zn Fe2O4是提高气体传感性能的有效策略。
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