一维改性SnO2复合材料的制备及NO2气敏性能研究

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为高效检测和监控污染物NO2气体,利用静电纺丝法结合高温焙烧法制备出纯SnO2和改性的SnO2纳米管材料。采用XRD、FT-IR、XPS等系列表征测试对改性材料进行了形貌特性和结构分析,室温下对改性材料进行了NO2气敏性能测试,初步探讨了气敏机理。首先,采用静电纺丝法和高温焙烧法以乙醇和N,N-二甲基酰胺(DMF)为溶剂,以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为形貌调控剂,制备出纯SnO2和CeO2表面修饰改性的SCCTs纳米管。改性后的SCCTs具有更多的孔隙且由较小的粒子(12-18 nm)构成短管结构。室温下NO2测试结果表明,对于100 ppm的NO2,改性CeO2材料的响应比纯SnO2高,其中最佳样品2-SCCT响应高达8.88,响应时间低至1.33 s,检出限低至0.03 ppm。其次,采用高压静电纺丝制备出Al2O3掺杂改性的SACTs纳米纤维。经焙烧生成由10-30 nm颗粒堆积而成的多孔管状结构,孔直径主要集中在2-50 nm。研究发现,改性材料的气敏性能明显提高。其中,最佳样品8-SACT在室温下对100ppm NO2的响应可达8.79,响应时间仅为2.67 s,检出限可达10 ppb,且对NO2具有良好的选择性和重复性。改性材料中氧空位(或氧缺陷结构)的增加,导致p型半导体材料导电能力(空穴密度)增强,有利于表面吸附氧的产生和NO2吸附。第三,采用静电纺丝一步合成法制备了PdO功能化SnO2的纳米管材料SPCTs。SEM或TEM结果显示,SPCTs复合材料存在许多异/同质结,并具有大量介孔。室温下NO2气敏测试结果表明,SnO2:PdO摩尔比为100:3的最佳样品3-SPCT,对100 ppm的NO2气敏响应(20.30)优异,响应时间低至1.33 s,检出限低至10ppb,并具有良好的选择性。原因是材料中大量的介孔的存在为气体扩散和吸附提供了更多的通道,增加了气体吸附位点;异/同质结可充当电子传输通道,加快了电子传输速率,均有利于NO2气敏性能提高。最后,选取Al2O3掺杂和PdO功能化SnO2纳米管二者的最佳性能比例并结合上述制备方法,制备出Al2O3和PdO共同改性的SAPx纳米管。SEM或TEM结果显示,SAPx纳米管表面粗糙多孔,具有许多晶格缺陷。室温下,SAPx对100 ppm的NO2表现出更高的响应(27.22)、良好的稳定性和优异的选择性。气敏性能提高归因于Al2O3和PdO的协同作用。一方面,Al2O3掺杂使SnO2晶格发生畸变,促进了氧空位的形成,表面吸附氧能力增强;另一方面,PdO功能化改善了SnO2纳米管的电子结构,易于发生Pd2+→Pd4+的转变,PdO/PdO2作为NO2的活性中心,进一步提高了NO2气敏性能。
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