NiO/α－Fe2 O3復合材料的制備及其氣敏性能

鐘 鑫，宋 鵬，王 琦，楊中喜

(濟南大學材料科學與工程學院，山東濟南 250022)

作為重要的化學原料，TEA(三乙胺)廣泛用作有機合成中的溶劑和堿。TEA毒性極強，對呼吸道有很強的刺激性。吸入后可導致肺水腫，甚至死亡。現有的檢測周圍環境中TEA氣體的方法包括激光誘導熒光，溴酚藍分光光度法，氣相色譜法和電化學方法［1－2］。然而，這些方法具有復雜的測試程序，昂貴的設備和嚴格的實驗環境的缺點。因此，迫切需要開發具有良好選擇性和可重復性的低成本便攜式儀器，其可用于在日常生活和工業生產中檢測TEA氣體。

在眾多的氣體傳感器中，金屬氧化物半導體氣體傳感器由于其靈敏度高、響應－恢復速度較快、穩定性好以及成本低等優點，成為了應用最為廣泛的一種氣敏傳感器。常見的被應用于氣體傳感檢測領域的半導體金屬氧化物有如 ZnO［3］，SnO2［4］，Fe2O3［5］等。

研究表明，純的α－Fe2O3所制備的氣敏傳感器的對氣體的靈敏度不是很高，這嚴重影響α－Fe2O3作為氣敏元件在生活中的應用。近年來，在材料界面形成異質結以提高材料的氣敏性是研究的熱點。王［6］等合成了SnO2/Fe2O3傳感器，在理想的260℃工作溫度下對100 ppm乙醇的響應為41.7，比純Fe2O3傳感器高約4倍，同時傳感器具有超快的響應和恢復，分別為3s和4s。唐［7］等研究了基于Ag摻雜的γ－Fe2O3/SiO2復合薄膜的室溫NH3氣體傳感器，該復合薄膜具有亞ppm檢測能力。

在本文中中，為了提高氣體傳感器的氣敏性能，減少氣體傳感器制備過程中的問題和缺陷，采用簡便的水熱法直接制備NiO/α－Fe2O3半導體納米異質結構材料。并測試了它的氣敏特性。

1 實驗

1.1 試劑、材料與儀器設備

NaOH(AR);FeCl3(AR);Ni(NO3)2·6H2O(AR);尿素(AR);無水乙醇;

采用美國FEI公司的Quanta 250 FEG型場發射掃描電子顯微鏡觀察樣品的微觀形貌。采用德國布魯克公司的D8型X－Ray衍射儀對樣品進行物相分析。

1.2 方法

將5.995 g氯化鐵和4.313 g氫氧化鈉分別溶解在50 mL去離子水中。然后，混合這兩種溶液。將混合溶液在水浴中加熱并攪拌10min。最后，將其置于100℃中加熱96 h。反應后，將離心后的沉淀洗滌干燥獲得α－Fe2O3粉末樣品備用。將0.2g預合成的α－Fe2O3加入到40 mL醇溶液(無水乙醇∶去離子水=1∶1)中超聲分散。隨后加入0.4 g Ni(NO3)2·6H2O和1.2 g CH4N2O，然后繼續攪拌30min。最后，將混合物溶液在90℃的水浴中加熱6h。將產物自然冷卻至室溫。通過離心收集紅色沉淀物，用無水乙醇和去離子水洗滌數次，然后在60℃下干燥過夜。最后，將合成后的材料在馬弗爐中在300℃下煅燒120min，得到樣品。

2 結果與分析

如圖1所示，NiO/α－Fe2O3復合材料的XRD衍射圖案具有許多峰，可以很好地索引到 NiO的PDF標準卡(No.47－1049)和α－Fe2O3(No.33－0664)。該結果表明最終產物含有NiO和α－Fe2O3。所有的峰都很清晰，沒有雜質的其他峰，這表明制備的NiO/α－Fe2O3擁有較高的純度。

如圖2(a)所示，制備出來的氧化鐵大小均勻平均尺寸為280nm，形貌為立方體且分散性較好。圖2(b)和(c)清楚地顯示了NiO/α－Fe2O3復合材料大小均勻，片狀的NiO均勻的負載在立方體氧化鐵上。圖2(d)，(e)和(f)是NiO/α－Fe2O3的EDS能譜分析，可以清楚地確定O，Fe和Ni在復合材料中的空間分布。

圖1 α－Fe2 O3和NiO/α－Fe2 O3微球的XRD圖譜

圖2 樣品的SEM圖像(a)α－Fe2 O3;(b)NiO/α－Fe2 O3;以及復合材料的EDS能譜圖

圖3 α－Fe2 O3和NiO/α－Fe2 O3的氣敏測試結果

圖3(a)為由NiO/α－Fe2O3復合材料制備的氣敏元件在不同溫度條件下對100ppm的三乙胺的響應曲線，隨著溫度的升高，靈敏值先升高后降低，其靈敏度在300℃最高為10.8且相對于純α－Fe2O3制備的氣敏元件更高。由圖3(b)可以看到，NiO/α－Fe2O3復合材料傳感器對三乙胺氣體響應的靈敏值最大，約為10.8，對其它氣體靈敏值較小。因此，所制備的復合材料傳感器對三乙胺的選擇性最好。從圖3(c)、(d)可以看到NiO/α－Fe2O3復合材料制備的氣敏元件有較快的響應－恢復時間，此傳感器具有較優越的氣敏性能。

NiO/α－Fe2O3復合材料對三乙胺的氣體敏感性比純α－Fe2O3材料強的原因可能如下。首先NiO納米片和α－Fe2O3納米立方體的表面相互接觸，降低了三乙胺與α－Fe2O3納米立方體之間的能壘，使電子轉移更容易;其次，由于高電荷載流子遷移率，NiO納米片有利于載流子的傳輸，因此表現出增強的氣敏特性。

3 結論

本文通過水熱法成功合成了NiO/α－Fe2O3半導體納米異質結構。利用 XRD、EDS、SEM等測試手段對產品的形貌、粒徑等進行了表征。這種特殊的結構和該制備的材料具有半導體納米異質結構，這導致氣體傳感性能的改善。響應結果表明，與 α －Fe2O3納米立方體(7.1)相比，NiO/α －Fe2O3(10.8)復合材料顯示出顯著改善的氣體響應，幾乎高出52%。最重要的是，與純α－Fe2O3相比，復合產品在回復方面得到顯著改善。這些結果表明NiO/α－Fe2O3半導體納米異質結構具有簡單的合成策略，證明了高性能化學氣體傳感器的可能性。