溶液燃烧法制备SnO2纳米棒阵列及其气敏性能研究

作     者：万文静 

作者单位：云南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵鹤云

授予年度：2019年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：SnO2纳米棒阵列 溶液燃烧法 气敏性能 Pt修饰 La掺杂 

摘      要：SnO作为一种高性能的半导体材料,在气敏传感技术领域,因其制备成本低,热学、化学性质稳定等特点,具有特殊的表面特性,对一些易燃易爆、有毒有害气体灵敏度高、选择性好,是当前研究最频繁和最有前景的气敏材料。然而,SnO材料对醛类、醚类以及苯类等气体的灵敏度很低,此外,随着气体监测要求的不断提高,对传感器提出了更高的要求。因此,通过形貌调控、表面修饰以及掺杂等对SnO材料进行改性,提高气敏传感器的性能,是非常有价值的课题。本论文首次采用一种简单、快速、新颖的溶液燃烧法,在不需要添加模板、表面活性剂、催化剂、生长基底以及预沉积SnO籽晶层等辅助条件下,通过调整各个合成参数,实现了双层的SnO纳米棒阵列的可调控合成。此外,通过贵金属Pt修饰以及稀土La掺杂对SnO纳米棒阵列进行改性,研究了改性前后材料的气敏性能及气体敏感机制。具体的研究结果如下:(1)通过调控溶液燃烧反应中锡源、尿素等各个合成参数,发现:焙烧温度为650℃C、保温时间为1 h时,可得到相对完整的双层SnO纳米棒阵列结构。(2)通过探索燃烧反应前驱体溶液体系中各个合成参数及其焙烧温度、保温时间等对溶液燃烧可控性和双层SnO纳米棒阵列形貌的影响规律,实现了SnO纳米棒阵列的可控合成,提出了双层SnO纳米棒阵列的晶体生长和形成机制。在溶液燃烧法制备双层SnO纳米棒阵列过程中,棉纤维通过非均匀形核作用对SnO片层聚合体中的片层的引导、分散作用、燃烧法本身的动力学特点和晶体结构的本征各向异性三者相辅相成,共同促进了SnO纳米棒阵列的形成。最终,SnO颗粒片层主要通过熟化机制(定向团聚机制为辅)沿着SnO的[001]轴向原位定向生长为双层的SnO纳米棒阵列结构。(3)论文还对其他实验参数最佳,焙烧温度分别为600℃、650℃、700℃、和800℃,保温1 h得到的SnO材料进行了气敏性能测试。结果表明:当焙烧温度为650℃时,所得到的SnO纳米棒阵列传感器对乙醛气体的气敏性能最好,其在最佳加热电压为3.75 V时,对200 ppm乙醛的灵敏度达到了 178.77,选择性(K1.6)较好,响应恢复特性良好,检测极限可以低至乙醛浓度至ppb水平。(4)对上述650℃焙烧、保温1 h得到的SnO纳米棒阵列进行Pt修饰改性,发现Pt以纳米颗粒的形式存在于SnO纳米棒(纳米颗粒)的表面,且Pt的添加抑制了SnO晶体的生长。FESEM结果表明,Pt的加入,破坏了SnO:片层中纳米棒阵列形貌,使得两层阵列中间的颗粒层厚度急剧增加。性能测试结果表明:Pt修饰进一步大大提高了SnO材料对乙醛的气敏性能。当Pt修饰量为1.0 at%时,SnO材料所制作的传感器对乙醛的气敏性能最好,其在加热电压为3.5 V时,对200 ppm乙醛气体的灵敏度达到了 863,选择性较好,对乙醛的检测范围没有限制,具有低至ppb水平的检测极限。但是Pt修饰改性后,乙醛的响应时间却增加。(5)针对上述650℃C焙烧、保温1h得到的SnO纳米棒阵列进行La掺杂改性,发现La的掺杂量增加至5.0 at%时,SnO样品中依然没有杂质相,且La的掺入抑制了Sn02晶体的生长,同时在SnO晶格中引入了很多晶体缺陷。和Pt改性一样,La的掺入,也破坏了SnO片层中纳米棒阵列的形貌。性能测试结果表明:La掺杂提高了SnO材料对乙醚的气敏性能。当La的掺杂量为5.0 at%时,SnO材料所制作的传感器对乙醚的气敏性能最好,其在较低的加热电压3 V时,对200 ppm乙醚的灵敏度达到了386,选择性很好,乙醚的检测范围扩大,具有低至ppb水平的检测极限。但是,La掺杂改性后,乙醚的响应、恢复时间变长。