铁酸钇的制备及其气敏性能研究

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稀土正铁氧体材料,如铁酸钇(YFeO3),由于其独特的物理、化学性质越来越受到人们的关注。YFeO3材料在固体燃料电池、磁性器件、光催化等方面表现出了良好的应用前景,但尚未有在气敏传感领域应用的报道。金属氧化物半导体气敏传感器在高温测试中表现出了优异的气敏传感性能,然而其还存在着工作温度高、选择性差、响应速度慢等问题。因此,我们研究将YFeO3材料应用到气敏传感领域,并通过离子掺杂以及控制反应时间等来调控其气敏传感性能,主要做了以下两项工作:(1)采用简单的水热法制备了具有分级结构的Mn离子掺杂的钙钛矿YFe1-xMnxO3,并将其用作气敏传感材料。气敏测试表明,所有不同Mn掺杂浓度的YFe1-xMnxO3钙钛矿都表现出对多种分析物的快速响应和恢复特性,以及良好的稳定性和可重复性。随着Mn掺杂浓度的增加,YFe1-xMnxO3对四种目标气氛的响应表现出先增大后减小的趋势。当x=0.05时,YFe1-xMnxO3的传感性能最佳。与纯YFeO3相比,YFe0.95Mn0.05O3对1000 ppm的CH2O、C2H6O、H2O2和100%的相对湿度的响应分别增加了835%、1462%、812%和801%。YFe0.95Mn0.05O3对H2O2和CH2O的理论检出限分别为1.75和2.55 ppb。此外,通过主成分分析和雷达图分析,评估了基于不同掺杂浓度的YFe1-xMnxO3建立传感器阵列的可能性。通过雷达图分析和数据库构建传感器阵列,实现目标分析物的视觉和判别检测是可行的。(2)采用水热法制备了四种生长时间分别为12 h、24 h、48 h和72 h的YFeO3材料,研究了生长时间对其气敏性能的影响。我们分析了不同生长时间的YFeO3在室温条件下对H2O、H2O2和CH2O三种目标气体的传感性能。我们发现用12 h和24 h制备的样本之间的感测性能没有明显差异。然而当晶体生长时间持续到48 h时,响应大小出现急剧增大。生长时间继续增长到72 h时,响应大小反而降低了。反应时间为48 h的样品对100%RH和1000 ppm的H2O2和CH2O气氛的响应大小分别是反应时间为12 h样品的36倍、3倍和2.6倍,可以通过晶体生长时间来控制晶体表面活性位点,如氧空位。在这项工作中,我们还发现YFeO3具有理想的响应、恢复时间和稳定性。
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