分步Ag摻雜rGOWO3納米復合材料的制備ぜ捌敏性能研究

熊杏 孫士斌

摘要：采用分步水熱法合成了不同質量比（Ag：WO3=1%、2%、3%）的銀摻雜還原氧化石墨烯三氧化鎢（Ag/rGOWO3）納米復合材料。采用掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）等手段表征了Ag/rGOWO3結構和形貌，并對合成的Ag/rGOWO3復合材料進行了氣敏性能研究。結果表明合成的2wt%的Ag/rGOWO3與純的氧化鎢（WO3）和還原氧化石墨烯三氧化鎢（rGOWO3）相比，表現出對丙酮更高的響應特性。

關鍵詞：三氧化鎢；還原氧化石墨烯；Ag；氣敏性能

傳感器作為當今信息技術的先導，在日常生活中的運用也越來越普遍，隨著人們對大氣污染帶來的危害更加關注，因而氣體傳感器的研究也廣受關注。

三氧化鎢（WO3）作為典型的n型半導體金屬氧化物材料，，被視為各種氣體檢測的理想材料而被廣泛研究。[1]已報道的WO3作為氣敏材料檢測的氣體有H2S、Acetone、NH3、H2、Ethanol、SO2等，[2]表現出較好的靈敏度。

為了進一步提高WO3傳感器的氣敏性能，利用G的高電子遷移率、優良的導熱性以及高比表面積等[3]特性，以GO修飾的金屬氧化物材料氣體傳感器的研究已有大量報道。水溶劑熱法[4]作為廣泛運用于G/金屬氧化物復合材料的制備方法，其簡單易操作，而且在G和金屬氧化物之間易形成化學鍵，改善復合材料的電性能。還可通過摻雜其他金屬，如銀、鉑、金等，[5]作為催化劑降低傳感器和目標氣體之間的活化能，來提高傳感器的氣敏性能。然而對WO3同時進行GO和Ag摻雜改性的納米復合材料卻少有報道。

在本文研究工作中，使用水溶劑熱法，分步合成了Ag和WO3（1%、2%、3%）不同質量比的Ag/rGO/WO3納米復合材料傳感器，對這些材料進行了各項表征，并對其進行了氣敏性能研究。結果表明，2%Ag摻雜的Ag/rGO/WO3材料在最佳工作溫度（300℃）下表現出對丙酮最高的響應性能。

1 實驗材料及方法

將100mg六氯化鎢（WCl6）溶解于20ml無水乙醇中，將含2ml的氧化石墨烯乙醇分散液（0.5mg/ml）加入WCl6溶液中，將混合液轉入聚四氟乙烯內襯的水熱反應釜中，在180℃下反應6h，自然冷卻24h，離心分離，得到離心產物用去離子水洗滌，在60℃的干燥箱中干燥24h，得到rGOWO3復合材料。以同樣方法還制備了未復合氧化石墨烯的純WO3來作為初始對照。

取100mg 制備好的rGOWO3分散于20ml無水乙醇中，向混合溶液中滴加1ml（0.001mol/L）硝酸銀溶液，向混合溶液中滴加乙醇配置成30ml混合液，之后將混合液轉入聚四氟乙烯內襯的水熱反應釜中，在180℃下反應6h，自然冷卻24h，離心分離，得到離心產物用去離子水洗滌數次后，在60℃的干箱中干燥24h，得到1.0Ag/rGOWO3復合材料，在同等條件下，制備了Ag摻雜量分別為2%和3%的2.0 Ag/rGOWO3和3.0 Ag/rGOWO3的復合材料，來探究銀的最佳摻雜比。

將上述制備的WO3、rGOWO3和Ag/rGOWO3材料加適量無水乙醇制成10mg/ml的分散液，采用旋轉滴涂法將材料滴涂在Al2O3陶瓷管電極上制備成旁熱式厚膜型氣敏傳感器。采用煒盛氣敏測試系統對所制備材料進行氣敏性能測試。

2 結果與討論

2.1 物相分析

圖1為不同Ag摻雜量的Ag/rGOWO3復合材料和rGOWO3以及純WO3材料的XRD圖譜

圖1 材料的XRD圖譜

在與標準衍射峰圖譜（JCDPS790205）對比之后，可看出所制備三氧化鎢主要的衍射峰位于24.332°、26.848°分別對應六方晶型WO3的（002）晶面和（200）晶面，表面成功制備了WO3材料。而復合GO的rGOWO3材料以及Ag/rGOWO3對比純WO3在16.994°位置多出對應的（100）晶面，說明G和Ag的加入對于的WO3納米結構晶型生長有一定影響，在衍射圖譜中可看出rGOWO3和Ag/rGOWO3的衍射峰更加尖銳，且更好的指向了單斜晶WO3相，說明G和Ag的復合摻雜取得了成功。

2.2 形貌分析

下圖2是Ag/rGOWO3（c）的掃描電鏡圖，從圖中可以看出WO3為花狀聚合物，由許多針狀WO3納米棒聚集而成，并且可以看到WO3生長在薄層rGO納米片上，其中白色點狀物為納米銀顆粒。這充分說明我們在WO3 基礎上成功合成了GO復合并摻雜Ag的Ag/rGOWO3復合材料。

圖2 Ag/rGOWO3的SEM

2.3 氣敏性能分析

氣敏性能測試負載分壓回路與加熱電路兩部分組成，采用煒盛WS30A測試系統進行了性能測試，在不同溫度下測試了材料對100ppm丙酮氣體的響應性能，并在300℃下測試了對不同濃度丙酮氣體的響應性能。下圖3為材料在不同溫度下對100ppm丙酮氣體的響應靈敏度，表現了溫度對材料氣敏性能的影響，從中可以看出隨著溫度的提升，2.0 Ag/rGOWO3復合材料表現出對100ppm丙酮氣體的響應逐漸升高，且相對其它材料靈敏度在300℃下最高，其次為rGOWO3復合材料，均比純的WO3的響應要高，因而我們選擇300℃作為我們材料的最佳工作溫度。

圖3 不同溫度下對100ppm丙酮氣體的響應靈敏度

下圖4為材料在300℃下對不同濃度丙酮氣體的瞬時響應，其中2.0 Ag/rGOWO3復合材料在各個濃度下響應均最高，而純的WO3的響應相對要低很多，隨著丙酮濃度的升高，四組材料響應均增大，靈敏度也逐漸增大，2.0 Ag/rGOWO3的復合材料靈敏度最高達到28，而rGOWO3復合材料次之，最高26，純的WO3的靈敏度最高為6，說明氧化石墨烯的復合對WO3材料的氣敏性能有巨大提升，而我們在rGOWO3復合材料的基礎上再摻雜Ag，提高了rGOWO3復合材料的氣敏性能。

圖4 300℃下對不同濃度丙酮氣體的瞬時響應

3 結論

采用分步水熱法合成了不同質量比Ag摻雜的Ag/rGOWO3的復合材料，通過XRD物相分析和SEM形貌表征我們證明了復合材料的合成成功，并且Ag/rGOWO3的復合材料表現出對丙酮氣體的優異氣敏性能，相比純WO3材料靈敏度提高了4.6倍。

參考文獻：

[1]魯珊珊，李立峰.氣敏傳感器的研究現狀及發展趨勢.[J].科技信息，2013，3.

[2]方成林，馬勇，萬勇.WO3納米薄膜氣敏性能研究進展[J].云南大學學報（自然科學版），2010，32（S1）：255258.

[3]尹莉.氧化鎢納米片與石墨烯基多級復合納米材料的構筑與氣敏性能研究[D].鄭州：鄭州大學，2015.

[4]施爾畏，夏長泰，王步國，仲維卓.水熱法的應用與發展[J].無機材料學報，1996，02.

[5]孫迎偉.摻雜對金屬氧化物氣敏傳感器氣敏性能的影響[D].武漢：華中科技大學，2012.

作者簡介：熊杏（1993），男，漢族，江西南昌人，碩士，研究方向：氣敏傳感器。