二氧化錫納米棒在丙酮?dú)怏w傳感器中的應(yīng)用及性能研究

◎鐘義濤 聶爽 祁曉靜 于天琦王寶祺

一、引言

用于檢測(cè)有毒和可燃?xì)怏w的氣體傳感器由于越來(lái)越受到環(huán)境保護(hù)和安全方面的關(guān)注而備受關(guān)注。金屬氧化物半導(dǎo)體，如SnO<下標(biāo)> 2下標(biāo)和ZnO，由于其對(duì)目標(biāo)氣體的高靈敏度和易制造性，在敏感材料中得到了廣泛的應(yīng)用，已有十多年的歷史。二氧化錫作為一種新型無(wú)機(jī)功能材料，廣泛應(yīng)用于氣體傳感器、鋰離子電池、催化劑、太陽(yáng)能電池、光電探測(cè)器。二氧化錫傳感器有許多氣體，如乙醇、丙酮、氫、天然氣和液化石油氣。但是，二氧化錫敏感材料的性能受其微觀結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸等因素的影響，進(jìn)而影響傳感器的應(yīng)用測(cè)定。因此，需要對(duì)納米SnO<下標(biāo)> 2下標(biāo)材料的形態(tài)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的研究。

二、實(shí)驗(yàn)

我們采用簡(jiǎn)單的水熱法制備了SnO2納米棒。利用鹽酸將乙醇和去離子水的混合物溶液(體積比1：10)的pH值調(diào)節(jié)至2。在上述混合溶液中加入63微升的無(wú)水四氯化錫，超聲處理30分鐘以獲得均勻混合物。然后將所得混合物轉(zhuǎn)移至45mL高壓水熱釜中，放置烘箱中保持在200℃，且分別恒溫10和12小時(shí)，冷卻室溫后，用去離子水和乙醇洗滌樣品，在80℃條件下徹底干燥12小時(shí)在400℃退火2小時(shí)。將制得的SnO2充分研磨成粉末，加入乙醇，放入超聲波清洗器中使其成為均勻溶液，用涂抹筆將溶液均勻的涂在平面基片的金屬上，然后通過(guò)焊接的方式將平面基片焊接在四角底座上，制備了電阻型金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器。

三、結(jié)果與討論

從圖1顯示了恒溫10小時(shí)和12小時(shí)制備的SnO2納米粒子的SEM照片，結(jié)果發(fā)現(xiàn)恒溫10小時(shí)的樣品（圖a）程球形，尺寸較大，單分散性不好。而恒溫12小時(shí)的樣品，程六方棒狀，尺寸較小且均勻，說(shuō)明該樣品的比表面積較大，可能具有更好的吸附性及傳感性能。

圖1 在200℃，且分別恒溫10（a）和12小時(shí)（b）制備的SnO2納米粒子。

圖2（a）是氣體濃度為200ppm時(shí)，傳感器分別在100℃、200℃、300℃對(duì)丙酮的靈敏度變化曲線。傳感器在300℃條件下靈敏度性能高于100℃、200℃。說(shuō)明傳感器在300℃靈敏度性能高，恢復(fù)時(shí)間短。圖2（b）是在300℃下丙酮?dú)怏w濃度分別為100 ppm、300 ppm和400 ppm的靈敏度曲線。在一定條件下，丙酮濃度越高，傳感器的靈敏度越高。當(dāng)傳感器從空氣中進(jìn)入含丙酮的氣瓶后，曲線迅速上升，然后逐漸穩(wěn)定，表示傳感器的響應(yīng)時(shí)間短，而當(dāng)從氣瓶轉(zhuǎn)移至空氣中，靈敏度曲線迅速下降，然后逐漸穩(wěn)定，表明傳感器恢復(fù)較快。重復(fù)以上過(guò)程50個(gè)循環(huán)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)傳感器的穩(wěn)定性較好。

圖2 （a）丙酮傳感器在不同溫度下的靈敏度曲線；（b）在300300℃下丙酮?dú)怏w濃度分別為100 ppm、300 ppm和400 ppm的靈敏度曲線。

四、結(jié)論

本文成功的制備了的SnO2納米粒子，并利用SEM對(duì)其形貌進(jìn)行了表征，結(jié)果顯示SnO2為六方納米棒，尺寸均勻，具有較大的比較面積。SnO2納米棒丙酮?dú)怏w傳感器性能研究表明在工作溫度為300℃對(duì)丙酮?dú)怏w最為靈敏，并隨丙酮濃度的增加，靈敏度也越高。