靜電紡絲法制備二氧化錫納米纖維在傳感領域的應用研究

摘 要：二氧化錫納米纖維具有優異的物理化學性能，并且具有易合成的特點，已被廣泛的應用于傳感領域，它不僅僅可以被用于很多氣體的探測，還可以進行濕度、紫外線的探測。文章在敘述二氧化錫納米纖維所具備的優異性能的基礎上，簡單介紹了二氧化錫納米纖維探測氣體、濕度、紫外線的原理，并例舉了近幾年二氧化錫納米纖維在傳感領域的應用。

關鍵詞：二氧化錫 納米纖維 靜電紡絲

中圖分類號：TQ343 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）08（a）-0140-02

二氧化錫（SnO2）在室溫下的禁帶寬度為3.6 eV，是一種重要的寬帶隙半導體材料。SnO2所具有的優異性能，使它成為了一種優異的敏感材料，被廣泛應用于傳感領域，特別是在氣體敏感[1]、濕度敏感[2]、紫外探測[3]等方面。

相比于二維、三維納米材料，一維納米材料具有更大的比表面積以及更加優異的物理、化學性能，已成為構建納米器件的理想模塊[4]。與傳統方法相比，靜電紡絲法制備一維納米材料具有成本低、效率高的特點，基于以上，靜電紡絲法制備二氧化錫納米纖維具有良好的應用前景并且已引起廣泛關注。該文綜述了近年來利用靜電紡絲法制備SnO2納米纖維并應用于傳感領域的研究成果。

1 靜電紡絲法制備SnO2納米纖維用于氣體和濕度探測

SnO2作為一種含有本征氧空位的n型半導體，當氣體分子在其表面形成吸附時，其電導率容易發生發變化。氧分子或水分子吸附其表面時，會使其電導率下降；還原性氣體吸附其表面時，會使其電導率升高[5]。

1.1 靜電紡絲法制備SnO2納米纖維在氣體探測中的應用

張彤等[6]利用靜電紡絲法得到了直徑在80～150 nm之間的SnO2納米纖維，另外，張基于所制備納米纖維制作了燒結型旁熱式氣敏元件，用于甲苯氣體的檢測，實驗結果表明，350 ℃下，在甲苯濃度為50 ppm時，元件靈敏度高達300%，并且具有較快的響應與恢復。

具有中空結構的納米纖維相比普通納米纖維具有更高的比表面積。Kadir等[7]利用靜電紡絲法制備了具有中空結構的SnO2納米纖維，并發現納米纖維的直徑可以通過調節前驅液中聚丙烯腈的含量進行調控，測試發現，在最佳工作溫度（150 ℃）下，實驗制備的SnO2納米纖維對濃度為1%的氫氣靈敏度約為240%，響應和恢復時間分別為21 s和330 s。

1.2 靜電紡絲法制備SnO2納米纖維在濕度探測中的應用

Pascariu等[8]利用靜電紡絲技術和退火工藝制備了NiO-SnO2納米纖維，研究發現，所制備納米纖維具有多孔結構，并且NiO的存在使材料的濕敏性能大大提高，在室溫（25 ℃）條件下，在0～100%RH濕度環境下進行測量，實驗結果表明，在100%RH條件下，其靈敏度達85%，響應和恢復時間僅為18.4 s和37.2 s。

合適的摻雜會對材料的性能有較大提高。Song等[9]將無機材料KCl摻入SnO2納米纖維中以改善純SnO2納米纖維的性能，并且在室溫、11%～95%RH的濕度環境中進行測試，實驗發現，當KCl與SnO2的質量比達15%時，具有最佳的感濕性能：較小的濕滯回差、較好的重復再現性、較快的響應（約5 s）、較快的恢復（約6 s）。

2 靜電紡絲法制備SnO2納米纖維用于紫外探測

SnO2是一種n型半導體材料材料，當置于空氣中時，空氣中的氧氣就會吸附于SnO2納米材料表面，并且與材料中的電子相結合，形成氧離子，由于材料內部電子減少，因此，材料電導率降低，暗狀態下的電流也就較小；而當紫外光照射到SnO2納米材料表面時，SnO2納米材料中會產生大量的空穴-電子對，產生的空穴來到表面與氧離子相結合釋放氧，故此時材料中的電子濃度升高，材料的電導率升高，通過它的電流也隨之增大。因此，SnO2納米材料可以構成優異的光電探測器件。

李小東[10]首先利用靜電紡絲法制備了具備金紅石相的SnO2納米纖維，然后將其沉積于FTO導電基底上，最后利用溶液異質外延生長技術得到了TiO2-SnO2樹枝狀異質結構，實驗結果表明，零偏壓下，在強度為40 mW/cm2、波長為365 nm的紫外光照射下，文章所述結構具有優異的紫外探測性能：高開關比（約4 550）、快響應（約0.03 s）、快恢復（約0.01 s）。

3 結語

SnO2納米纖維不僅僅具有良好的物理化學性能，而且具有成本低、容易量產等優點，已成為近些年來的研究熱點之一。盡管如此，SnO2納米纖維于傳感領域的應用仍然存在一定的問題，比如：環境溫度、環境的復雜性等因素都有可能對材料產生影響，這些問題限制了SnO2納米纖維的廣泛應用。因此，仍舊需要進一步研究，改善得到對環境要求不苛刻的材料，獲得更好敏感特性。

參考文獻

[1]Yang D J， Kamienchick I， Youn D Y， et al. Ultrasensitive and highly selective gas sensors based on electrospun SnO2 nanofibers modified by Pd loading[J].Advanced Functional Materials，2010，20（24）：4258-4264.

[2]曹春岳.運用介電泳技術將SnO2納米球體作為敏感元件的相對濕度傳感器特性[J].華東師范大學學報：自然科學版，2012（5）：16-23.

[3]馮喜寧.氧化物納米結構在紫外探測器件上的應用研究[D].西南大學，2014.

[4]郭天超，高瑜，韓雪，等.靜電紡絲法制備二氧化錫基納米纖維氣體敏感材料的研究進展[J].廣東化工，2016，43（14）：90-91.

[5]黃思雅.氧化物納米纖維的電紡絲法制備、器件組裝與光電性能[D].清華大學，2014.

[6]張彤，劉奎學，漆奇，等.一維納米金屬氧化物半導體材料氣、濕敏特性的研究[C]//全國敏感元件與傳感器學術會議.2009.

[7]Kadir R A， Li Z， Sadek A Z， et al.Electrospun granular hollow SnO2 nanofibers hydrogen gas sensors operating at low temperatures[J]. The Journal of Physical Chemistry C，2014，118（6）：3129-3139.

[8]Pascariu P， Airinei A， Olaru N， et al. Microstructure， electrical and humidity sensor properties of electrospun NiO–SnO2 nanofibers[J]. Sensors and Actuators B： Chemical，2016，222：1024-1031.

[9]Song X， Qi Q， Zhang T， et al. A humidity sensor based on KCl-doped SnO2 nanofibers[J]. Sensors and Actuators B： Chemical， 2009，138（1）：368-373.

[10]李小東.染料敏化太陽能電池光陽極研究和一種新型光電化學紫外光探測器[D].蘭州大學，2013.