ZnO基纳米纤维的制备及其紫外光激发的低温气敏性能研究

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宽带隙和大激子束缚能的半导体纳米材料ZnO已广泛应用于气敏传感器中,其形貌可控,响应值高,稳定性佳,可检测的气体种类繁多(如H2S、CO、NO2、C2H5OH等)。然而ZnO气敏传感器的工作温度大多高于200℃,功耗大,不利于其商业应用;已有的报道中低温下ZnO气敏传感器的灵敏度也偏低。复合不同材料的金属氧化物、贵金属修饰等方法来提高ZnO气敏传感器的灵敏度已有大量的研究,但缺陷的调控对气敏性能的研究尚少,特别是低温下缺陷对ZnO气敏传感器性能的影响还少见报道,还需进一步深入研究。因此,研究ZnO在低温条件下缺陷对其气敏性能的影响有重要的意义。经报道,紫外光照可以有效降低金属氧化物半导体气敏传感器的工作温度。所以,我们拟通过紫外光照来降低ZnO纳米材料的工作温度,并研究缺陷对ZnO传感器气敏性能的影响,期望通过缺陷的调控提高传感器的灵敏度;在此基础上,进一步复合还原氧化石墨烯来进一步降低ZnO气敏传感器的工作温度。具体研究内容如下:1通过静电纺丝法制备了形貌可控的ZnO纳米纤维,并将ZnO纳米纤维在N2气氛不同温度(300℃、400℃、500℃)退火,探究紫外光照下N2气氛退火对酒精的气敏性能的影响。拉曼结果表明N2气氛400℃退火的ZnO样品中含有更多的氧空位缺陷,PL结果也表明N2气氛退火后的ZnO样品中VO+强度比直接制备的样品的VO+强度高一个数量级,这些都表明N2退火的ZnO样品中含有更多的氧空位缺陷。气敏响应结果显示,N2气氛400℃退火的ZnO纳米纤维具有更高的气敏响应性能。在最佳温度160℃时,N2气氛400℃退火的ZnO纳米纤维对500 ppm的酒精响应值为42.0,是直接制备的ZnO纳米纤维的3.6倍。传感器响应的增敏机制为N2气氛退火后氧空位缺陷的增加,产生更多的吸附氧,更多的吸附氧与酒精分子发生反应,释放更多的电子到ZnO的导带,增强对电阻的调制能力,从而提高传感器的响应。2将氧化石墨烯(GO)在管式炉中Ar气氛下高温加热还原成还原氧化石墨烯(rGO),使用静电纺丝法制备出不同浓度(0 mol%、0.5 mol%、1 mol%和2 mol%)的rGO-ZnO复合纳米纤维,并在N2气氛400℃退火。气敏性能的测试显示:与纯的ZnO纳米纤维相比,复合的rGO-ZnO纳米纤维的最佳工作温度降低了 40℃,且显示出更好的气敏性能,包括更高的响应值和更低的检测极限。在紫外光照下,温度120℃,C2H5OH的气体浓度为500 ppm时,1 mol%的复合纳米纤维的响应值为77.0,是纯的ZnO纳米纤维的4.4倍。此样品对酒精也显示出较好的选择性和稳定性。增强的气敏性能可归因于p-n异质结的形成和比表面积的增大。异质结的形成同时也降低了材料表面的反应活化能,从而降低了传感器的工作温度。
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