二氧化錫納米材料的水熱合成及其氣敏性能研究.pdf

1、二氧化錫作為一種重要的的N型寬禁帶(3.6 eV,300 K)半導(dǎo)體材料，在傳感器、光催化、太陽能電池、超級電容器等多個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。其中最重要的應(yīng)用之一便是傳感器。由SnO2作為氣敏元件制作的傳感器具有高的響應(yīng)能力、較好的響應(yīng)恢復(fù)特性和穩(wěn)定性，使它成為最具潛力的氣敏材料之一。半導(dǎo)體材料的氣敏性能很大程度上依賴于其結(jié)構(gòu)和形貌，如何制備可控尺寸和特殊形貌的納米SnO2成為了一個重要的研究方向。
　　本論文采用操作簡單、成本較低

2、的水熱合成技術(shù)，以改善氣敏性能為目的，通過調(diào)整合成條件、向體系添加堿液、表面活性劑，進行燒結(jié)處理，制備出了不同形貌的SnO2，包括中空結(jié)構(gòu)、具有大比表面積的疏松多孔結(jié)構(gòu)，這些均有利于提高傳感器的氣敏特性。通過XRD、SEM、TEM、HRTEM和SAED等表征測試手段對材料的微觀結(jié)構(gòu)和形貌進行表征，探討其生長機理，并對它們的氣敏性能進行了研究。主要研究內(nèi)容包括以下幾部分：
　?、儆梢痪S納米棒組裝的棒狀SnO2結(jié)構(gòu)：采用簡單的水熱法，

3、以SnCl2·2H2O作為反應(yīng)物，添加表面活性劑CTAB或PEG，分別合成了實心棒狀和多孔的SnO2中空棒狀結(jié)構(gòu)。反應(yīng)物濃度和表面活性劑的不同對SnO2形成過程和形態(tài)有很大影響。相比由實心棒狀結(jié)構(gòu)制成的傳感器，基于多孔棒狀結(jié)構(gòu)的傳感器對乙醇有更高的響應(yīng)，在最佳工作溫度350 oC時響應(yīng)達最大值54。這歸因于多孔SnO2棒狀結(jié)構(gòu)的表面有大量的花瓣狀納米片和孔隙，提供更多的氣體擴散路徑，有利于氣體擴散。
　?、谟梢痪S納米棒/錐體組裝的

4、花狀 SnO2結(jié)構(gòu)：首先，采用一步水熱法在溫和條件下合成了由中心向四周放射性生長的一維納米棒組裝的SnO2花狀結(jié)構(gòu)，揭示了它如何由球狀變成花狀結(jié)構(gòu)。PEG-6000的存在控制 SnO2晶體生長過程，是獲得均勻形貌、分散性好的花狀SnO2的關(guān)鍵性因素。在最佳工作溫度313 ℃，氣體靈敏度達到最大值S=35，響應(yīng)和恢復(fù)時間分別為7-8s和9-10s。良好的氣敏性能表明了它用作氣體傳感器的潛能。隨后，采用水熱法合成了由納米錐體組裝的三維花狀

5、SnO2結(jié)構(gòu)，單個納米錐體的最大直徑接近塊體 SnO2德拜長度的兩倍，氧氣化學(xué)吸附引起大量的電子消耗，這有助于氣敏性能的提高。測試了材料對100 ppm H2在低溫50 ℃紫外照射下的氣敏特性，氣敏響應(yīng)在幾秒鐘從2.7增加到9.5。這不僅是因為新穎的一維-三維構(gòu)架提供了大量反應(yīng)位點和充足的氣體擴散空間，還由于在紫外光激發(fā)下，Sn-O(ad)重構(gòu)為Sn-O(hv)，這使其可以在低溫下有效檢測H2。
　?、塾啥S納米片組裝的多孔花狀

6、SnO2結(jié)構(gòu)：三維多孔結(jié)構(gòu)和分級組裝，在避免納米結(jié)構(gòu)團聚、保留大的比表面積的同時，還由于內(nèi)部存在孔道結(jié)構(gòu)有利于氣體的擴散，是構(gòu)筑高靈敏度和快速響應(yīng)氣敏材料的理想結(jié)構(gòu)，備受關(guān)注。首先，采用一步水熱法，在表面活性劑 CTAB輔助下，合成了由大量納米片聚集組裝成的多孔SnO2花狀結(jié)構(gòu)，有良好的氣敏性能。這歸因于其獨特的二維片狀結(jié)構(gòu)，它縮短了氣體擴散的距離，為待測氣體提供更易進入的通路和活性表面。隨后，通過簡單的水熱法結(jié)合燒結(jié)處理，制備了一種新