【摘 要】
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气敏传感器被广泛应用于检测易燃、易爆、有毒等气体,在生产和生活中具有重要作用。气敏材料是影响气敏传感器性能的关键因素,金属氧化物半导体材料由于光电和气敏性能良好、成本低和环保等优点而受到研究者的广泛关注和重视。钙钛矿型ZnSnO3三元氧化物半导体兼具ZnO和SnO2的优点,具有良好的光电和气敏性能,且结构稳定。但这种三元氧化物材料同ZnO和SnO2等二元氧化物一样,当用于气敏传感器时具有工作温度高
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气敏传感器被广泛应用于检测易燃、易爆、有毒等气体,在生产和生活中具有重要作用。气敏材料是影响气敏传感器性能的关键因素,金属氧化物半导体材料由于光电和气敏性能良好、成本低和环保等优点而受到研究者的广泛关注和重视。钙钛矿型ZnSnO3三元氧化物半导体兼具ZnO和SnO2的优点,具有良好的光电和气敏性能,且结构稳定。但这种三元氧化物材料同ZnO和SnO2等二元氧化物一样,当用于气敏传感器时具有工作温度高（＞200℃）的缺点,这限制了它在一些危险场合的应用。针对这一问题本课题进行了深入研究,以使ZnSnO3在低温下具有较好的气敏性能。首先,在有机功能添加剂三乙醇胺（Triethanolamine,TEOA）的作用下,采用共沉淀法合成了Zn Sn（OH）6,通过高温热处理得到非晶态ZnSnO3空心立方体。气敏测试结果表明,纯ZnSnO3在220℃时对500 ppm乙醇的响应为160.6。其次,Al3+掺杂能提高ZnSnO3的气敏响应。当Al3+掺杂量为10 mol%时,Zn0.9Al0.1Sn O3.05(ZA0.1SO)对乙醇最敏感,在相同测试条件下其气体响应为336.0,对应的工作温度为260℃;UV-vis测试表明,Al3+掺杂能扩宽ZA0.1SO的UV波长吸收范围。最后,用nano-TiO2修饰ZA0.1SO并辅以紫外光照（385 nm）,能明显降低其工作温度;当nano-TiO2修饰量为10 wt%时,所得到的ZA0.1SO–T10复合物对乙醇最敏感,此时的气体响应为231.4,对应的工作温度为110℃。机理研究表明,Al3+掺杂导致ZA0.1SO样品中产生Al·Zn和V‘o带电缺陷,扩宽了其对紫外光的吸收范围,使ZA0.1SO能更有效地利用紫外光;Nano-TiO2与ZA0.1SO形成的异质结能有效抑制光生电子和空穴的复合,提高其量子效率,有利于更多氧负离子的形成;紫外光照产生的高能电子有利于高能氧负离子的形成;由Arrhenius公式可知,高能氧负离子有助于降低ZA0.1SO–T10复合材料气敏反应温度,使其在低温下有较高的气敏响应。综上,本课题制备了ZnSnO3空心立方体,通过Al3+掺杂和nano-TiO2修饰,在紫外光辅助下不仅显著降低了其工作温度,而且还使其具有较高的低温气敏响应。以上采取的措施为ZnSnO3低温气敏性能的进一步研究提供了一定的参考价值,有助于拓展ZnSnO3材料在气敏传感器领域的应用。
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