复合金属氧化物锡酸镉的合成及其硫化氢敏感性能研究
发布时间：2021-12-09 20:28
在半导体金属氧化物中,SnO2因其带隙大、优异的电子迁移率以及优异的稳定性而在气敏应用中得到了广泛的研究。已经有多种方法将其合成为有用的纳米结构形貌,如纳米片、纳米花、量子点等,以调整其气敏性能。尽管有多种结构选择,基于SnO2的化学传感器仍然缺乏对气体的响应和对干扰气体分子的准确识别选择性,应用因而受到限制。复合金属氧化物比单一金属氧化物具有更好的性质,具有优异的光学、电学、磁学性能,应用极为广泛。本文首次报道了复合金属氧化物CdSnO3作为一种新型的气敏材料可应用于硫化氢气体的检测。首先利用水浴法合成了纯的SnO2,进而制备了Cd掺杂的SnO2、SnO2-CdO复合材料以及不同形貌的复合金属氧化物CdSnO3。进行了表征和气敏性能测试,发现多孔的CdSnO3纳米立方体传感器的性能最为优异。本文的主要内容如下:1.通过水浴法再经过煅烧处理获得SnO2纳米材料。使用X射线电子衍射仪（XRD）...
【文章来源】：哈尔滨师范大学黑龙江省
【文章页数】：46 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
旁热式气敏元件截面图
哈尔滨师范大学硕士学位论文6图1-3a)In2O3/ZnO纳米线尖端区域的高分辨透射和SAED模式图[35]；b)ZnSnO3薄膜的电镜图[36]Fig.1-3a）HRTEMandSAEDpatternofthetipregionofIn2O3/ZnOnanowire[35].b)SEManalysisofZnSnO3films[36]1.5本文研究的内容本文制备了纯的SnO2、以及Cd/Sn复合材料，测试了其气敏性能。发现SnO2纳米材料对硫化氢气体的识别能力很强，但响应不高。相对于SnO2气体传感器，Cd掺杂的SnO2气体传感器的响应提高了2倍，证明Cd元素的引入的确可以改善硫化氢传感器的性能，猜测还可能形成了复合物导致性能提高，进而制备了CdO-SnO2和混合材料CdSnO3纳米颗粒。CdO-SnO2气体传感器对硫化氢的响应提高了但是还不够高，CdSnO3纳米颗粒响应很高但是出现了恢复问题。为了解决其恢复问题，采用自组装策略，以PVP为模板，以NaOH为沉淀剂，首先通过共沉淀法制备出CdSnO3的前驱体(CdSnO3·3H2O)，再将CdSnO3前驱体放于水浴锅内80°C搅拌6小时。之后，将得到的材料经700℃高温煅烧1小时后制得多孔立方体形貌的复合金属氧化物CdSnO3纳米材料。测试其对多种气体的响应。测试结果表明，多孔CdSnO3纳米立方体气体传感器实现了对硫化氢气体的高响应，高选择性检测以及低检测浓度，最主要是解决了传感器的恢复问题。推测原因可能是由于Cd元素的引入，Cd(1.69)的电负性小于Sn(1.96)，导致材料表面金属氧键极化较大，因而有利于硫化氢的吸附[37-39]。另外，由于CdSnO3纳米立方体为多孔结构具大的比表面积，有利于硫化氢气体的扩散和传输，从而加快了传感器装置的响应和恢复，传感器的响应恢复问题得以解决。另外CdSnO3结构中存在许多的氧缺陷，提供了更加丰富的活性位点，因此传感器的响应也进一步提高了，但是不足的是其不能检测更低浓度的气体(<5ppm)
哈尔滨师范大学硕士学位论文8图2-1a)银掺杂SnO2薄膜的扫描电子显微镜图片[42]；b)1.0wt%掺杂的Au/SnO2的透射电子显微镜照片[43]Fig.2-1a)SEMpictureofAgdopedSnO2film[42];b)TEMmicrographsof1.0wt%Au/SnO2[43]2.1.3SnO2复合氧化物的气敏材料研究进展由于纯SnO2气敏材料对于气体的选择性、灵敏度和检测极限有一定的局限性，而复合氧化物气体传感器表现出更优异的气敏性能，使得复合氧化物气敏性的研究日渐受到科研工作者的青睐。iZeng等人[44]研究了Sn和Zn的复合氧化物，利用水热法制备了图2-2a)所示的ZnSnO3纳米笼，测试结果表明，310℃时传感器对H2S具有高响应、快速响应恢复和选择性好等优点，ZnSnO3纳米笼作为H2S传感器具有良好的应用潜力。XiaohuaZhao等人[45]研究了Sn和Cd的复合氧化物，使用水热法合成了CdSnO3纳米材料，形貌如图2-2b）所示。结果表明，在室温条件下，CdSnO3气体传感器对1ppm氯气具有10.5的高响应，对于5ppm的氯气响应值可达1338.9，表明了其在室温条件下对于氯气检测具有良好的应用前景。JustinT等人[46]研究了Sn和In的复合氧化物，以SnCl4·6H2O和InCl3·H2O为原料，以氨水为沉淀剂，成功的合成了了SnO2-In2O3复合氧化物，对于CO气体的敏感性明显高于基于纯SnO2的传统传感器。图2-2a）ZnSnO3纳米笼的电镜照片[44]；b)CdSnO3的扫描电镜图[45]Fig.2-2a)ApanoramicoftheZnSnO3products[44].b)TheSEMimagesofCdSnO3[45]上述结果表明Sn与Zn、Cd、In等金属的复合氧化物具有非常良好的气敏性
本文编号：3531260
【文章来源】：哈尔滨师范大学黑龙江省
【文章页数】：46 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
旁热式气敏元件截面图
哈尔滨师范大学硕士学位论文6图1-3a)In2O3/ZnO纳米线尖端区域的高分辨透射和SAED模式图[35]；b)ZnSnO3薄膜的电镜图[36]Fig.1-3a）HRTEMandSAEDpatternofthetipregionofIn2O3/ZnOnanowire[35].b)SEManalysisofZnSnO3films[36]1.5本文研究的内容本文制备了纯的SnO2、以及Cd/Sn复合材料，测试了其气敏性能。发现SnO2纳米材料对硫化氢气体的识别能力很强，但响应不高。相对于SnO2气体传感器，Cd掺杂的SnO2气体传感器的响应提高了2倍，证明Cd元素的引入的确可以改善硫化氢传感器的性能，猜测还可能形成了复合物导致性能提高，进而制备了CdO-SnO2和混合材料CdSnO3纳米颗粒。CdO-SnO2气体传感器对硫化氢的响应提高了但是还不够高，CdSnO3纳米颗粒响应很高但是出现了恢复问题。为了解决其恢复问题，采用自组装策略，以PVP为模板，以NaOH为沉淀剂，首先通过共沉淀法制备出CdSnO3的前驱体(CdSnO3·3H2O)，再将CdSnO3前驱体放于水浴锅内80°C搅拌6小时。之后，将得到的材料经700℃高温煅烧1小时后制得多孔立方体形貌的复合金属氧化物CdSnO3纳米材料。测试其对多种气体的响应。测试结果表明，多孔CdSnO3纳米立方体气体传感器实现了对硫化氢气体的高响应，高选择性检测以及低检测浓度，最主要是解决了传感器的恢复问题。推测原因可能是由于Cd元素的引入，Cd(1.69)的电负性小于Sn(1.96)，导致材料表面金属氧键极化较大，因而有利于硫化氢的吸附[37-39]。另外，由于CdSnO3纳米立方体为多孔结构具大的比表面积，有利于硫化氢气体的扩散和传输，从而加快了传感器装置的响应和恢复，传感器的响应恢复问题得以解决。另外CdSnO3结构中存在许多的氧缺陷，提供了更加丰富的活性位点，因此传感器的响应也进一步提高了，但是不足的是其不能检测更低浓度的气体(<5ppm)
哈尔滨师范大学硕士学位论文8图2-1a)银掺杂SnO2薄膜的扫描电子显微镜图片[42]；b)1.0wt%掺杂的Au/SnO2的透射电子显微镜照片[43]Fig.2-1a)SEMpictureofAgdopedSnO2film[42];b)TEMmicrographsof1.0wt%Au/SnO2[43]2.1.3SnO2复合氧化物的气敏材料研究进展由于纯SnO2气敏材料对于气体的选择性、灵敏度和检测极限有一定的局限性，而复合氧化物气体传感器表现出更优异的气敏性能，使得复合氧化物气敏性的研究日渐受到科研工作者的青睐。iZeng等人[44]研究了Sn和Zn的复合氧化物，利用水热法制备了图2-2a)所示的ZnSnO3纳米笼，测试结果表明，310℃时传感器对H2S具有高响应、快速响应恢复和选择性好等优点，ZnSnO3纳米笼作为H2S传感器具有良好的应用潜力。XiaohuaZhao等人[45]研究了Sn和Cd的复合氧化物，使用水热法合成了CdSnO3纳米材料，形貌如图2-2b）所示。结果表明，在室温条件下，CdSnO3气体传感器对1ppm氯气具有10.5的高响应，对于5ppm的氯气响应值可达1338.9，表明了其在室温条件下对于氯气检测具有良好的应用前景。JustinT等人[46]研究了Sn和In的复合氧化物，以SnCl4·6H2O和InCl3·H2O为原料，以氨水为沉淀剂，成功的合成了了SnO2-In2O3复合氧化物，对于CO气体的敏感性明显高于基于纯SnO2的传统传感器。图2-2a）ZnSnO3纳米笼的电镜照片[44]；b)CdSnO3的扫描电镜图[45]Fig.2-2a)ApanoramicoftheZnSnO3products[44].b)TheSEMimagesofCdSnO3[45]上述结果表明Sn与Zn、Cd、In等金属的复合氧化物具有非常良好的气敏性
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