石墨烯掺杂纳米氧化锌用于检测三乙胺的增强气敏性能
发布时间：2021-08-31 21:19
通过简单研磨实现固相反应的方法制备了纳米氧化锌材料,并利用石墨烯掺杂对氧化锌进行改性,研究了氧化锌材料的气敏性能。利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、红外光谱仪（IR）对合成的样品进行了结构和形貌表征,考察了原料比例和石墨烯掺杂量对氧化锌形貌和气敏性能的影响。结果表明:合成的氧化锌均为纳米颗粒,随着柠檬酸量增加,得到许多有气孔的氧化锌;石墨烯掺杂后,均得到纳米颗粒的氧化锌;气体检测表明,石墨烯掺杂后的氧化锌,其最佳工作温度由400℃降为280℃,对三乙胺表现出较高的选择性;掺杂3%石墨烯的氧化锌对浓度为0. 1 mmol/L三乙胺的响应值（S=Ra/Rg）达到18,是掺杂前的4倍。石墨烯掺杂纳米ZnO可作为检测三乙胺气体的新型传感材料。
【文章来源】：分析试验室. 2020,39(01)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
空气中焙烧处理的氧化锌(a)及石墨烯掺杂氧化锌(b)的XRD谱图
图2是样品的红外光谱图。所有样品在3400～3500 cm-1处均表现出一个宽的吸收峰，这主要是样品表面O-H的伸缩振动引起的;在1060 cm-1附近的峰是C-O的伸缩振动峰;1465～1340 cm-1附近的峰为C-H弯曲振动峰，1400 cm-1附近的峰对应的是石墨烯C-C骨架的振动吸收，1620 cm-1附近的峰是C=C的拉伸振动峰;ZnO仅在540 cm-1附近出现特征吸收峰[14]，上述结果分析证明石墨烯与ZnO成功复合。2.2 氧化锌及石墨烯改性后氧化锌的形貌
图5a是ZnO对检测浓度为0.1 mmol/L的三乙胺气体的响应值与工作温度的关系。可以看出，改变原料比例，在空气和氮气下焙烧处理制备得到的氧化锌对三乙胺气体的最佳检测温度均是400℃，当温度低于400℃时，随着温度升高，响应增高，这是因为随着温度升高，材料表面对氧负离子的吸附作用大于脱附作用，暴露在被测气体中，表面发生的化学反应增快，降低了Rg，从而提高了灵敏度;当温度高于400°C时，氧负离子的解吸附作用大于气体的吸附作用，从而增加了空气中的电阻Ra，降低了灵敏度[16]。其中ZnO-0.6-A在400℃下对三乙胺的响应值(S=Ra/Rg)达到36,ZnO-0.6-N仅为28。当石墨烯掺杂样品ZnO-0.6-N后，其最佳检测温度降至280℃(图5b)，石墨掺杂量为3%时，ZnO显示了较高的响应，其响应值是未掺杂ZnO在最佳温度下响应值的3.5倍。石墨烯改善ZnO气敏性能的原因可能是石墨烯与ZnO之间形成了p-n异质结，异质界面有很多活性缺陷，这些活性缺陷会增大电子消耗区域，有利于对气体的吸附，进而提高灵敏度;同时，复合的石墨烯薄片有可能提供较高的表面积，从而可以促进三乙胺气体有效进入ZnO表面，加快化学反应。为了探究石墨烯掺杂氧化锌在检测挥发性物质中的响应，在280℃对浓度为0.1 mmol/L的挥发性物质包括甲醇、乙醇、苯、甲醛、丙酮、氨气、二甲胺、三甲胺和三乙胺进行了测试。结果表明，掺杂石墨烯后的ZnO对不同气体的响应值均比纯Zn O有显著的提高，相对于其他VOCs气体，掺杂石墨烯3%的样品3-rGO/ZnO-0.6-N对检测三乙胺有较高的响应。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Ag-Ni合金/石墨烯复合材料的无酶过氧化氢传感器[J]. 孟祖超,李毛,刘祥,尹成伟. 分析试验室. 2019(03)
[2]聚噻吩掺杂纳米ZnO的制备及气敏性能[J]. 何思源,高娜,张赫,王会,赵瑞花,罗巨杰,杜建平. 化工新型材料. 2018(09)
[3]石墨烯纳米复合材料的气敏性研究[J]. 要换丽,王贺艳,谢亚娟,赵瑞花,杜建平. 化工新型材料. 2014(07)
本文编号：3375629
【文章来源】：分析试验室. 2020,39(01)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
空气中焙烧处理的氧化锌(a)及石墨烯掺杂氧化锌(b)的XRD谱图
图2是样品的红外光谱图。所有样品在3400～3500 cm-1处均表现出一个宽的吸收峰，这主要是样品表面O-H的伸缩振动引起的;在1060 cm-1附近的峰是C-O的伸缩振动峰;1465～1340 cm-1附近的峰为C-H弯曲振动峰，1400 cm-1附近的峰对应的是石墨烯C-C骨架的振动吸收，1620 cm-1附近的峰是C=C的拉伸振动峰;ZnO仅在540 cm-1附近出现特征吸收峰[14]，上述结果分析证明石墨烯与ZnO成功复合。2.2 氧化锌及石墨烯改性后氧化锌的形貌
图5a是ZnO对检测浓度为0.1 mmol/L的三乙胺气体的响应值与工作温度的关系。可以看出，改变原料比例，在空气和氮气下焙烧处理制备得到的氧化锌对三乙胺气体的最佳检测温度均是400℃，当温度低于400℃时，随着温度升高，响应增高，这是因为随着温度升高，材料表面对氧负离子的吸附作用大于脱附作用，暴露在被测气体中，表面发生的化学反应增快，降低了Rg，从而提高了灵敏度;当温度高于400°C时，氧负离子的解吸附作用大于气体的吸附作用，从而增加了空气中的电阻Ra，降低了灵敏度[16]。其中ZnO-0.6-A在400℃下对三乙胺的响应值(S=Ra/Rg)达到36,ZnO-0.6-N仅为28。当石墨烯掺杂样品ZnO-0.6-N后，其最佳检测温度降至280℃(图5b)，石墨掺杂量为3%时，ZnO显示了较高的响应，其响应值是未掺杂ZnO在最佳温度下响应值的3.5倍。石墨烯改善ZnO气敏性能的原因可能是石墨烯与ZnO之间形成了p-n异质结，异质界面有很多活性缺陷，这些活性缺陷会增大电子消耗区域，有利于对气体的吸附，进而提高灵敏度;同时，复合的石墨烯薄片有可能提供较高的表面积，从而可以促进三乙胺气体有效进入ZnO表面，加快化学反应。为了探究石墨烯掺杂氧化锌在检测挥发性物质中的响应，在280℃对浓度为0.1 mmol/L的挥发性物质包括甲醇、乙醇、苯、甲醛、丙酮、氨气、二甲胺、三甲胺和三乙胺进行了测试。结果表明，掺杂石墨烯后的ZnO对不同气体的响应值均比纯Zn O有显著的提高，相对于其他VOCs气体，掺杂石墨烯3%的样品3-rGO/ZnO-0.6-N对检测三乙胺有较高的响应。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Ag-Ni合金/石墨烯复合材料的无酶过氧化氢传感器[J]. 孟祖超,李毛,刘祥,尹成伟. 分析试验室. 2019(03)
[2]聚噻吩掺杂纳米ZnO的制备及气敏性能[J]. 何思源,高娜,张赫,王会,赵瑞花,罗巨杰,杜建平. 化工新型材料. 2018(09)
[3]石墨烯纳米复合材料的气敏性研究[J]. 要换丽,王贺艳,谢亚娟,赵瑞花,杜建平. 化工新型材料. 2014(07)
本文编号：3375629
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