納米Ag摻雜SnO2制備乙醇?xì)饷粼难芯?/h1>
2017-03-13 20:12:00張龐梁鴻東劉志宇傅剛
科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2016年26期
張龐++梁鴻東++劉志宇++傅剛
摘 要：采用溶膠-凝膠法制備了摻納米Sb和Ag的SnO2氣敏材料，通過厚膜絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備成SnO2氣敏元件，測(cè)量了元件對(duì)乙醇、丙酮、甲醛和甲苯4種氣體的氣敏性能。測(cè)量結(jié)果表明，摻雜適量的Sb可以有效降低SnO2的電阻，提高靈敏度。未摻雜和摻雜Ag的元件在氣體濃度為900×10-6時(shí)，以上4種氣體的靈敏度分別為7.7、6.4、3.86、3.69和33.6、11.7、6.9、17.1。摻雜納米Ag后，靈敏度對(duì)應(yīng)地提升了336%、203%、79%和363%。
關(guān)鍵詞：納米Ag 靈敏度 SnO2氣敏元件
中圖分類號(hào)：TB38 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）09（b）-0042-03
納米SnO2是目前使用最為廣泛的氣敏材料。改善SnO2氣敏元件的靈敏度和選擇性是當(dāng)前備受關(guān)注的研究課題，其中添加摻雜劑是常用的方法[1-2]。該文首先制備了摻Sb的SnO2氣敏材料，添加適量納米Ag后采用制備了SnO2厚膜氣敏元件，測(cè)量了元件對(duì)乙醇、丙酮、甲醛和甲苯4種氣體的氣敏性能。
1 實(shí)驗(yàn)
稱取適量的SnCl4·5H2O、SbCl3和尿素一起溶于蒸餾水中，連續(xù)攪拌直至溶液呈無色透明狀，90 ℃水浴一段時(shí)間后，用去離子水反復(fù)洗滌，直至溶液中滴加硝酸銀溶液后無白色沉淀產(chǎn)生。加入氨水溶解凝膠，靜置后放入恒溫干燥箱中烘干[3]。烘干后的粉體加入1 wt%的硝酸銀溶液，研磨均勻后在箱式電阻爐中650 ℃下保溫30 min，得到摻Sb和摻Ag的SnO2氣敏粉體。向粉體中加入少量粘接劑，充分球磨混合后調(diào)制成絲網(wǎng)印刷厚膜漿料，將漿料印于帶有金電極的氧化鋁基片上形成1 mm×1 mm的敏感層，在650 ℃燒結(jié)，基片背面的厚膜加熱器加熱電阻約為130 Ω。該文中共制備了兩類元件，A為A1、A2和A3，分別為在SnO2摻入0.1 mol%Sb、0.3 mol%Sb、0.5 mol%Sb制備的元件；B為在A1中再摻入1 wt%硝酸銀所制備的元件。用靜態(tài)法測(cè)試元件的氣敏性能。
2 結(jié)果與討論
圖1和圖2分別為摻雜0.1 mol%Sb的SnO2氣敏元件的SEM和XRD圖，從中可以看出，粉體的晶粒為球形，晶粒大小約為25 nm；摻Sb的SnO2納米材料與純SnO2的晶相基本相符，沒有出現(xiàn)其他晶相，說明摻入的銻離子進(jìn)入SnO2晶格中取代了錫離子。
表1為不同的加熱功率下A1、A2、A3元件電阻值。隨著Sb摻雜量增加，SnO2氣敏元件的電阻值迅速降低。說明Sb的摻雜可以有效降低SnO2氣敏材料的電阻值。
圖3（a）、（b）、（c）、（d）分別為元件A1、A2、A3在乙醇、丙酮、甲醛、甲苯4種氣體的靈敏度曲線。可以看出，隨著Sb含量的增加，元件的電阻值在下降，靈敏度也在下降，元件A1在4種氣體中具有較高的靈敏度，說明Sb的摻雜雖然能有效降低SnO2氣敏元件的電阻值，但過量的Sb摻雜會(huì)降低元件的靈敏度。
圖4為B元件對(duì)乙醇、丙酮、甲醛和甲苯4種氣體的靈敏度曲線。從圖4中可以看出，在摻入納米Ag后元件對(duì)4種氣體的靈敏度相對(duì)于A類元件都有了提升。在氣體濃度為900×10-6時(shí)，A1和B元件對(duì)4種氣體的靈敏度分別為7.7、6.4、3.86、3.69和33.6、11.7、6.9、17.1。摻雜納米Ag后，元件對(duì)乙醇的靈敏度提升了336%，丙酮的提升了83%，甲醛的提升了79%，甲苯提升了363%。
未摻雜納米Ag的A1元件對(duì)乙醇和丙酮的靈敏度較高，對(duì)應(yīng)的曲線比較接近，因此對(duì)氣體的選擇性不是很理想；但摻入納米Ag后，在圖4中B元件對(duì)乙醇的靈敏度提升了3倍多，對(duì)丙酮的靈敏度僅提升了不到1倍，說明摻入納米Ag能抑制丙酮對(duì)乙醇的干擾，雖然甲苯的靈敏度也提升了3倍多，但和乙醇的靈敏度相比仍然較低。因此，在SnO2氣敏材料中摻雜納米Ag能制備出一種優(yōu)良的乙醇傳感器。
3 結(jié)語
在SnO2中摻入適量Sb可以有效降低材料的電阻值，但過量摻雜又會(huì)降低材料的靈敏度，當(dāng)摻入0.1 mol%Sb時(shí)，SnO2氣敏元件的電阻值適中，靈敏度也相對(duì)較高。在此基礎(chǔ)上，摻入納米Ag后，元件的靈敏度得到進(jìn)一步提升，對(duì)乙醇的靈敏度提升了336%，對(duì)丙酮的提升了83%，在抑制了對(duì)丙酮?dú)怏w靈敏度的同時(shí)，明顯提升了對(duì)乙醇?xì)怏w的靈敏度。因此，在SnO2氣敏材料中摻雜納米Ag是一種制備具有優(yōu)良特性乙醇?xì)怏w傳感器的有效方法。
參考文獻(xiàn)
[1] 侯振雨，李蕓嶺，李延方，等.Ag摻雜SnO2氣敏元件性能的研究[J].化工新型材料，2015，43（1）：182-186.
[2] 高曉平，劉東妮，王運(yùn)福，等.基于銻摻雜的高靈敏度納米SnO2氣體傳感器[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009（S1）：148-149.
[3] 殷馨，任紅鑫，王晨菲，等.新型銻摻雜二氧化錫納米顆粒的水熱合成[J].中國(guó)粉體技術(shù)，2015，21（1）：27-32.
張龐++梁鴻東++劉志宇++傅剛
摘 要：采用溶膠-凝膠法制備了摻納米Sb和Ag的SnO2氣敏材料，通過厚膜絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備成SnO2氣敏元件，測(cè)量了元件對(duì)乙醇、丙酮、甲醛和甲苯4種氣體的氣敏性能。測(cè)量結(jié)果表明，摻雜適量的Sb可以有效降低SnO2的電阻，提高靈敏度。未摻雜和摻雜Ag的元件在氣體濃度為900×10-6時(shí)，以上4種氣體的靈敏度分別為7.7、6.4、3.86、3.69和33.6、11.7、6.9、17.1。摻雜納米Ag后，靈敏度對(duì)應(yīng)地提升了336%、203%、79%和363%。
關(guān)鍵詞：納米Ag 靈敏度 SnO2氣敏元件
中圖分類號(hào)：TB38 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）09（b）-0042-03
納米SnO2是目前使用最為廣泛的氣敏材料。改善SnO2氣敏元件的靈敏度和選擇性是當(dāng)前備受關(guān)注的研究課題，其中添加摻雜劑是常用的方法[1-2]。該文首先制備了摻Sb的SnO2氣敏材料，添加適量納米Ag后采用制備了SnO2厚膜氣敏元件，測(cè)量了元件對(duì)乙醇、丙酮、甲醛和甲苯4種氣體的氣敏性能。
1 實(shí)驗(yàn)
稱取適量的SnCl4·5H2O、SbCl3和尿素一起溶于蒸餾水中，連續(xù)攪拌直至溶液呈無色透明狀，90 ℃水浴一段時(shí)間后，用去離子水反復(fù)洗滌，直至溶液中滴加硝酸銀溶液后無白色沉淀產(chǎn)生。加入氨水溶解凝膠，靜置后放入恒溫干燥箱中烘干[3]。烘干后的粉體加入1 wt%的硝酸銀溶液，研磨均勻后在箱式電阻爐中650 ℃下保溫30 min，得到摻Sb和摻Ag的SnO2氣敏粉體。向粉體中加入少量粘接劑，充分球磨混合后調(diào)制成絲網(wǎng)印刷厚膜漿料，將漿料印于帶有金電極的氧化鋁基片上形成1 mm×1 mm的敏感層，在650 ℃燒結(jié)，基片背面的厚膜加熱器加熱電阻約為130 Ω。該文中共制備了兩類元件，A為A1、A2和A3，分別為在SnO2摻入0.1 mol%Sb、0.3 mol%Sb、0.5 mol%Sb制備的元件；B為在A1中再摻入1 wt%硝酸銀所制備的元件。用靜態(tài)法測(cè)試元件的氣敏性能。
2 結(jié)果與討論
圖1和圖2分別為摻雜0.1 mol%Sb的SnO2氣敏元件的SEM和XRD圖，從中可以看出，粉體的晶粒為球形，晶粒大小約為25 nm；摻Sb的SnO2納米材料與純SnO2的晶相基本相符，沒有出現(xiàn)其他晶相，說明摻入的銻離子進(jìn)入SnO2晶格中取代了錫離子。
表1為不同的加熱功率下A1、A2、A3元件電阻值。隨著Sb摻雜量增加，SnO2氣敏元件的電阻值迅速降低。說明Sb的摻雜可以有效降低SnO2氣敏材料的電阻值。
圖3（a）、（b）、（c）、（d）分別為元件A1、A2、A3在乙醇、丙酮、甲醛、甲苯4種氣體的靈敏度曲線。可以看出，隨著Sb含量的增加，元件的電阻值在下降，靈敏度也在下降，元件A1在4種氣體中具有較高的靈敏度，說明Sb的摻雜雖然能有效降低SnO2氣敏元件的電阻值，但過量的Sb摻雜會(huì)降低元件的靈敏度。
圖4為B元件對(duì)乙醇、丙酮、甲醛和甲苯4種氣體的靈敏度曲線。從圖4中可以看出，在摻入納米Ag后元件對(duì)4種氣體的靈敏度相對(duì)于A類元件都有了提升。在氣體濃度為900×10-6時(shí)，A1和B元件對(duì)4種氣體的靈敏度分別為7.7、6.4、3.86、3.69和33.6、11.7、6.9、17.1。摻雜納米Ag后，元件對(duì)乙醇的靈敏度提升了336%，丙酮的提升了83%，甲醛的提升了79%，甲苯提升了363%。
未摻雜納米Ag的A1元件對(duì)乙醇和丙酮的靈敏度較高，對(duì)應(yīng)的曲線比較接近，因此對(duì)氣體的選擇性不是很理想；但摻入納米Ag后，在圖4中B元件對(duì)乙醇的靈敏度提升了3倍多，對(duì)丙酮的靈敏度僅提升了不到1倍，說明摻入納米Ag能抑制丙酮對(duì)乙醇的干擾，雖然甲苯的靈敏度也提升了3倍多，但和乙醇的靈敏度相比仍然較低。因此，在SnO2氣敏材料中摻雜納米Ag能制備出一種優(yōu)良的乙醇傳感器。
3 結(jié)語
在SnO2中摻入適量Sb可以有效降低材料的電阻值，但過量摻雜又會(huì)降低材料的靈敏度，當(dāng)摻入0.1 mol%Sb時(shí)，SnO2氣敏元件的電阻值適中，靈敏度也相對(duì)較高。在此基礎(chǔ)上，摻入納米Ag后，元件的靈敏度得到進(jìn)一步提升，對(duì)乙醇的靈敏度提升了336%，對(duì)丙酮的提升了83%，在抑制了對(duì)丙酮?dú)怏w靈敏度的同時(shí)，明顯提升了對(duì)乙醇?xì)怏w的靈敏度。因此，在SnO2氣敏材料中摻雜納米Ag是一種制備具有優(yōu)良特性乙醇?xì)怏w傳感器的有效方法。
參考文獻(xiàn)
[1] 侯振雨，李蕓嶺，李延方，等.Ag摻雜SnO2氣敏元件性能的研究[J].化工新型材料，2015，43（1）：182-186.
[2] 高曉平，劉東妮，王運(yùn)福，等.基于銻摻雜的高靈敏度納米SnO2氣體傳感器[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009（S1）：148-149.
[3] 殷馨，任紅鑫，王晨菲，等.新型銻摻雜二氧化錫納米顆粒的水熱合成[J].中國(guó)粉體技術(shù)，2015，21（1）：27-32.
