纳米SnSe2基材料的制备及其NH3气敏性能研究

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在工业生产环节中,微量的毒害气体泄漏就可能导致事故甚至人员伤亡。NH3作为目前世界上应用最为广泛的化学品之一,由于具有高毒性,其安全监测一直是焦点问题。微量NH3接触会刺激口腔黏膜、灼伤皮肤等等。当前已有的商用NH3气敏传感器仍存在灵敏度低、选择性差等问题,因此急需开发高度灵敏且可快速检测的NH3气敏传感器。SnSe2作为典型的二维过渡金属硫属化合物(TMDs)材料,因其独特的物理特性(例如大量的反应活性位点和高比表面积)而在气敏传感器中具有潜在的应用价值。本论文通过形貌调控、异质结构建、贵金属修饰等手段逐步提高了 SnSe2基NH3气敏传感器的综合性能。具体工作如下:(1)SnSe2形貌调控。利用溶剂热法,通过调节表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)的浓度、溶剂热时间,首次获得了超薄纳米片构成的中空棒三维分级结构以及典型的纳米花结构。利用扫描电镜(SEM)和X-射线衍射(XRD)对其生长过程和机理进行了详细分析。气敏性能测试发现,由4 nm薄片组成的SnSe2中空棒在NH3(50 ppm)传感测试中表现出相对较高的响应,灵敏度为3.65,响应/恢复时间为20/36 s。这可归因于其具有相对较高的比表面积和内、外表面赋予的较多反应活性位点。(2)SnSe2/SnO2异质结构建。为进一步改善SnSe2中空棒的气敏性能,本文设计了在不同温度下原位热氧化SnSe2材料构建SnSe2/SnO2异质结。高分辨透射电镜(HRTEM)结合X-射线光电子能谱(XPS)结果证实了异质结的形成。气敏测试结果表明:在400℃氧化1h后,SnSe2/SnO2对NH3(50ppm)的灵敏度提升到了 10.38,相较于纯SnSe2和SnO2分别提高了 3倍和7倍左右,响应/恢复时间缩短到15/17 s,并将最佳工作温度由140℃降低至100℃。主要原因在于异质结的构建提高了材料表面化学吸附氧含量并建立了新的电子传输通道。(3)金纳米颗粒修饰。通过离子溅射法将不同含量的金纳米颗粒均匀分散在SnSe2/SnO2复合材料表面。利用SEM和元素分析证实金纳米颗粒均匀地分布在材料的表面。由于Au纳米颗粒的催化特性,SnSe2/SnO2异质结以及Au/SnSe2、Au/SnO2肖特基结的形成,进一步提高了复合材料对NH3的响应。气敏测试结果表明:当溅射时间为30 s时,Au-SnSe2/SnO2在50ppm NH3测试环境中拥有最佳响应,灵敏度提高到17.30,同时最佳工作温度进一步降低至80℃,且更具气体选择性,约是其他气体的8-17倍。此外实验结果表明Au-SnSe2/SnO2在NH3气敏传感器方面具有较大的实用价值。本工作选择简单、易行的溶剂热法,通过调节SDBS浓度得到仅有4 nm厚薄片组成的SnSe2中空棒结构,且表现出优于纳米花的气敏性能;通过与SnO2原位构建异质结、Au纳米颗粒修饰对SnSe2基二维材料的综合气敏性能实现了逐步提高。本工作的特色与创新之处在于独特的SnSe2中空棒结构的获得,以及简单、易行、有效的改性措施。
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