ZnSnO3气敏性能提高的措施及机理研究

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二元金属氧化物(如ZnO、SnO2、WO3)是目前研究较多的气敏材料,但此类材料依然存在工作温度高且灵敏度低的问题,钙钛矿结构三元金属氧化物ZnSnO3作为一种新型的复合金属氧化物半导体气敏材料,它具有环保、选择性好、灵敏度高等优点。但是,纯ZnSnO3与二元金属氧化物相同,具有工作温度高的缺点,且低温条件下无响应,若不解决将不适合应用于实际生产生活。针对上述问题,本研究使用水热法制备ZnSnO3,并在制备过程中加入不同有机添加剂(三乙醇胺、六次甲基四胺、聚乙二醇400、咪唑)影响ZnSnO3的形貌。然后用纳米TiO2对ZnSnO3进行表面改性,并在紫外光照下对所制备样品进行气敏性能测试。实验结果表明,在有机添加剂三乙醇胺、六次甲基四胺、聚乙二醇400的作用下,所合成ZnSnO3的形貌分别为:圆角立方体、面刻蚀立方体、微球,但在咪唑的作用下,合成了ZnO/SnO2混合物。样品呈现出不同的形貌,可能的原因是:在制备过程中,由于空间位阻效应,不同有机添加剂对样品表面的不同位置具有保护作用,导致刻蚀位点有差异。ZnSnO3圆角立方体与10 wt.%纳米TiO2的复合物在80°C时对500 ppm乙醇的响应达到最大值,为70.16;对其气敏机理分析可知,在紫外光的作用下,大量光生电子–空穴对形成,促进乙醇分子与ZnSnO3表面吸附氧离子反应,此外,TiO2与ZnSnO3形成异质结,可以抑制光生电子–空穴对的复合。面刻蚀ZnSnO3立方体在室温时对500 ppm乙醇的响应达到3.43,初步实现了ZnSnO3室温时对乙醇的检测;该样品对紫外光的吸收值较大,有助于产生更多光生电子–空穴对,促进乙醇气体与表面吸附氧离子反应,而且面刻蚀ZnSnO3立方体的空心结构和较小粒径有助于反应的进行。总结可知,本研究在制备过程中加入不同有机添加剂,成功合成了不同形貌ZnSnO3,初步实现室温检测乙醇的能力,并使用纳米TiO2进行表面修饰,提高了低温时ZnSnO3的灵敏度,同时研究了ZnSnO3的生长机理及气敏机理。
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