用于室温NO2检测的钙钛矿气敏传感器的设计、制备和应用

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在当今社会,环境问题是人类社会关注的重点,环境中的气体污染物严重威胁着人类的身体健康。其中,机动车尾气、锅炉废气中含有大量的NO2,会损伤人体的呼吸系统甚至危及生命安全。因此,无论是从环境保护还是人体健康的角度出发,实现对NO2的高灵敏度检测具有十分重要的研究意义。目前用于高灵敏度检测NO2的主要是金属氧化物气敏传感器,但是其检测普遍基于高温工作环境,室温以及低温的检测灵敏度较低,严重阻碍了它的实际应用与发展。因此,开发室温下对NO2检测具有高灵敏性、可重复利用的传感材料具有十分重要的意义。本论文立足于发展室温下对NO2具有高灵敏度响应的卤素钙钛矿气敏传感器,通过材料组分调节、不同分子改性表界面状态等途径,以乙酸乙酯为反溶剂,在空气氛围中采用一步旋涂法,制备了具有不同微观结构的有机无机杂化钙钛矿薄膜气敏传感器,并分别探究了在光照、黑暗、紫外光照射等不同环境下,对NO2气体的在室温下的检测性能。具体展开了以下工作研究:1.在空气氛围中,以乙酸乙酯(EA)反溶剂处理,通过一步旋涂法,在叉指电极表面制备了FA0.83Cs0.17Pb I3(FACs)钙钛矿薄膜,构建了FACs气敏传感器,并用于NO2气体的室温检测。结果表明,制备的FACs钙钛矿暴露多个取向晶面,增加了与气体的接触,器件具有高响应度(R10 ppm NO2=2.0),极迅速的响应时间(tres=2 s)和恢复时间(trec=20 s),低极限检测浓度(LOD=140ppb),选择性以及较好稳定性。此外,FACs传感器在太阳光、黑暗以及紫外光等不同光照下,室温对NO2气体均显示出了良好的响应度和稳定性,增加了FACs气敏传感器的使用条件,本工作,为室温下NO2的高灵敏性检测开辟了一条新的途径。2.基于钙钛矿薄膜稳定性问题,对3D FACs钙钛矿薄膜采用碘化吡咯烷酮盐(Py I)进行分子修饰,在空气氛围下,采用旋涂法,在FA0.83Cs0.17Pb I3薄膜表面旋涂Py I,从而形成表面覆盖Py Pb I3,成功构建了1D/3D结构的钙钛矿薄膜(Py Pb I3/FA0.83Cs0.17Pb I3),在室温下对NO2气体的显示出较好的响应灵敏,检测限低至100 ppb,具有良好的可逆性和选择性。更为重要的是,相比于FACs传感器,1D/3D钙钛矿的传感器的稳定性得到了明显改进,在空气中,响应度几乎没有明显的衰减,仅从1.74变为1.68。同时,1D/3D钙钛矿的传感器在紫外照射和黑暗条件下也对NO2也表现出响应时间/恢复时间短的性能,因此,基于1D/3D钙钛矿的传感器,大幅度提升了FACs钙钛矿器件在室温下检测NO2应用的稳定性,为进一步实际化应用提供了可能性。
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