NiO基复合纳米纤维的制备及其丙酮气敏性能研究

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构造出基于p型金属氧化物的高性能气体传感器一直是气敏领域的研究热点和难点。因此本文以改善p型氧化镍(NiO)的气敏性能为目的,通过构建异质结和贵金属复合对其进行改性。利用静电纺丝技术制备出了一系列Nb2O5-NiO复合纳米纤维和不同比例贵金属Rh修饰的Rh-NiO复合纳米纤维。系统地研究了Nb2O5/Rh的含量变化对NiO纳米纤维的表面积、吸附氧能力以及丙酮气敏性能的影响,为高性能的NiO基气体传感器的研制提供相应的实验和理论参考。具体结果如下:(1)利用静电纺丝法制备出了一系列不同Nb/Ni摩尔比(0,6%,9%,12%)的Nb2O5-NiO异质结纳米纤维,有效地提高了材料的比表面积和吸附氧能力。气敏测试结果表明,当Nb/Ni摩尔比为9%时,材料表现出最佳的气敏性能。在最佳工作温度250℃下,9 mol%Nb2O5-NiO复合纳米纤维对200 ppm丙酮的响应值为18.58,是纯NiO纳米纤维材料气敏响应值的10倍。此外,Nb2O5-NiO复合纳米纤维还表现出对丙酮的良好的选择性。提升的气敏性能主要归因于NiO与Nb2O5之间p-n异质结的形成,使得在NiO与Nb2O5界面处形成内建电场,加速了材料内载流子的迁移率,使电子活性增强,吸附氧含量增多,因而气敏响应增强。(2)利用静电纺丝技术制备出贵金属Rh修饰的Rh-NiO多孔复合纳米纤维,使材料对丙酮的气敏响应显著提升。其中,5 mol%Rh-NiO复合纳米纤维传感器表现出最高的p型响应,在225℃时对200 ppm丙酮的响应值达到70.1,是纯NiO纳米纤维传感器的37.9倍。此外,5 mol%Rh-NiO纳米纤维还具有出色的丙酮选择性和稳定性。Rh-NiO纳米纤维气敏响应的改善主要归因于Rh纳米颗粒与NiO纳米颗粒之间欧姆接触的形成,从而有助于降低空气中的传感器电阻和提升化学吸附氧能力。另外,Rh纳米颗粒的化学增敏作用和BET表面积的增加也有助于改善Rh-NiO纳米纤维的丙酮响应。
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