多孔鐵酸鑭的制備及其氣敏性質(zhì)研究

賴小勇 馬玉磊 楊慶鳳

摘 要：本文通過溶膠凝膠方法并結(jié)合煅燒處理制備了一種多孔鐵酸鑭，并利用X射線粉末衍射（XRD），掃描電子顯微鏡（SEM），氮?dú)獾葴匚锢砦降缺碚魇侄螌?duì)所制備材料進(jìn)行了詳細(xì)分析。結(jié)果表明：材料具有高的結(jié)晶度和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，其孔隙尺寸為30nm左右。氣敏性能測試結(jié)果表明多孔鐵酸鑭對(duì)乙醇具有較好的敏感度，高于對(duì)其他氣體的敏感度表現(xiàn)出較好的選擇性，在乙醇?xì)怏w檢測方面有潛在的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：多孔鐵酸鑭 氣敏傳感器 乙醇檢測 溶膠凝膠

中圖分類號(hào)：TB383.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）12（c）-0078-02

氣體傳感器在人們的生產(chǎn)生活中正扮演著越來越重要的角色。近年來，具有良好催化性的p型半導(dǎo)體氣體傳感器已經(jīng)引起廣泛關(guān)注，例如Co3O4[1]和NiO[2]等。鐵酸鑭（LaFeO3）作為典型的p型鈣鈦礦化合物半導(dǎo)體，其載流子通過改變價(jià)態(tài)從A位點(diǎn)躍遷到B位點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)空穴的傳導(dǎo)[3]，在光催化[4，5]等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。乙醇作為常見化工原料，屬于典型的揮發(fā)性有機(jī)污染物，因而及時(shí)地監(jiān)控空氣中乙醇?xì)怏w的濃度變得尤其重要。LaFeO3也是制備乙醇?xì)怏w傳感器的材料之一，但是LaFeO3的乙醇傳感器的性能表現(xiàn)并不十分理想。為了提高鐵酸鑭的氣敏性能，前人已經(jīng)做了許多改良的工作，例如用LaFeO3中的較低價(jià)態(tài)離子替換一部分La，進(jìn)行A位摻雜[6]，抑或者取代Fe，進(jìn)行B位上的摻雜[7]，其對(duì)乙醇?xì)怏w的敏感性能取得了一定的提升，但是進(jìn)一步改善其氣敏性能仍然是十分必要的。

本文通過溶膠凝膠方法并結(jié)合煅燒處理制備了一種多孔鐵酸鑭，材料具有高的結(jié)晶度和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，其孔隙尺寸為30nm左右。氣敏性能測試結(jié)果表明多孔鐵酸鑭對(duì)乙醇具有較好的敏感度，高于對(duì)其他氣體的敏感度，表現(xiàn)出較好的選擇性，在乙醇?xì)怏w檢測方面有潛在的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)過程

首先，將一定量的硝酸鑭、硝酸鐵和檸檬酸溶解在少量去離子水中。檸檬酸相對(duì)于金屬離子總數(shù)的比例為1.5∶1。加入蒸餾水使總體積達(dá)到50cm3。La3+與Fe3+的離子濃度為0.1mol·dm-3。然后，將反應(yīng)體系置于60℃的水浴中，攪拌脫水，得到水溶膠。接著，在持續(xù)攪拌下加入無水乙醇，使凝膠均勻地分散。然后繼續(xù)在60℃下加熱以再次獲得溶膠，即醇凝膠。重復(fù)該步驟3次，得含水量較少的醇凝膠。然后，將醇溶膠在110℃下真空干燥，并用瑪瑙研缽研磨。最后，將產(chǎn)物放置在石英坩堝中，并在馬弗爐中1℃/min升至700℃，然后在700℃下保溫9h，得多孔鐵酸鑭。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)表征

前驅(qū)體未顯示顯著的衍射峰，暗示其無定形特性。煅燒之后產(chǎn)物的XRD圖譜則顯示了與標(biāo)準(zhǔn)鐵酸鑭一致的特征衍射峰，未出現(xiàn)像一些文獻(xiàn)里報(bào)道的那樣發(fā)現(xiàn)氧化鐵、氧化鑭之類的雜峰[8]，表明得了高結(jié)晶度、高純度的鐵酸鑭材料。

圖1為多孔鐵酸鑭前驅(qū)體（a）、（b）以及多孔鐵酸鑭（c）、（d）的場發(fā)射掃描電子顯微鏡圖，從圖中可以清晰地看到在煅燒之前（a）、（b）的顆粒都比較大而經(jīng)過高溫煅燒之后的產(chǎn)物（c）、（d）顆粒尺寸明顯變小，可能與其高溫發(fā)生收縮分解有關(guān)；經(jīng)過煅燒顆粒表面產(chǎn)生了大量的孔（約為30nm），與孔徑分布圖中數(shù)據(jù)一致。經(jīng)過查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，孔是由于前驅(qū)體分解釋放氣體產(chǎn)生[8]。

2.2 氣敏性質(zhì)研究

圖2（a）所呈現(xiàn)的為由多孔鐵酸鑭制備的氣體傳感器在250℃下對(duì)不同濃度乙醇?xì)怏w的動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖，從圖中可以看到，當(dāng)通入低濃度乙醇?xì)怏w如1ppm時(shí)，傳感器仍有明顯的響應(yīng)，說明多孔鐵酸鑭氣體傳感器的檢測下限很低，可以檢測到環(huán)境中1ppm的乙醇?xì)怏w。圖2（b）為不同濃度乙醇?xì)怏w下多孔鐵酸鑭的敏感度，當(dāng)乙醇?xì)怏w的濃度由100ppm升到200 ppm時(shí)，敏感度由64變?yōu)?27，相應(yīng)的變大了兩倍。

3 結(jié)語

通過溶膠凝膠方法并結(jié)合煅燒處理制備出了具有多孔結(jié)構(gòu)的鐵酸鑭，X射線衍射圖表明其結(jié)構(gòu)為正交鈣鈦礦化合物，并且沒有出現(xiàn)雜相峰，氮?dú)馕锢砦摳角€、孔徑分布圖以及場發(fā)射掃描電鏡圖表征了其微觀形貌，證明孔結(jié)構(gòu)的存在。對(duì)乙醇?xì)怏w進(jìn)行的一系列測試表明多孔鐵酸鑭對(duì)乙醇?xì)怏w具有低至1ppm的檢測下限、良好的敏感度（對(duì)200 ppm乙醇?xì)怏w的響應(yīng)為127）以及高的循環(huán)穩(wěn)定性，是一種非常具有應(yīng)用潛力的乙醇?xì)怏w敏感材料。

參考文獻(xiàn)

[1] S Liu，Z Wang，H Zhao，et al.Ordered mesoporous Co3O4 for high-performance toluene sensing[J].Sensors and Actuators B：Chemical，2014，197（3）：342-349.

[2] X Lai，G Shen，P Xue，et al.Ordered mesoporous NiO with thin pore walls and its enhanced sensing performance for formaldehyde[J].Nanoscale，2015，7（9）：4005-4012.

[3] X Liu，HU Jifan，B Cheng，et al.First- principles study of O2 adsorption on the LaFeO3（010） surface[J].Sensors and Actuators B：Chemical，2009，139（2）：520-526.

[4] L Jing，Y Qu，H Su，et al.Synthesis of high-activity TiO2-based photocatalysts by compounding a small amount of porous nanosized LaFeO3 and the activity-enhanced mechanisms[J].The Journal of Physical Chemistry C，2011，115（25）：12375-12380.

[5] P Tang，Y Tong，H Chen，et al.Microwave- assisted synthesis of nanoparticulate perovskite LaFeO3 as a high active visible-light photocatalyst[J].Current Applied Physics，2013， 13（2）：340-343.

[6] P Song，H Qin，L Zhang，et al.The structure， electrical and ethanol-sensing properties of La 1-x Pb x FeO3 perovskite ceramics with x≤0.3[J].Sensors and Actuators B：Chemical， 2005，104（2）：312-316.

[7] X Liu，B Cheng，J Hu，et al.Semiconducting gas sensor for ethanol based on LaMg x Fe 1-xO3 nanocrystals[J].Sensors and Actuators B：Chemical，2008，129（1）：53-58.

[8] AK Yadav，RK Singh，P Singh.Fabrication of lanthanum ferrite based liquefied petroleum gas sensor[J].Sensors and Actuators B：Chemical，2016，229（3）：25-30.