氧化镨纳米材料的制备及其对环己酮的气敏性能_王宝霞.pdf

第6 0卷 第4期微纳电子技术V o l.6 0 N o.42 0 2 3年4月M i c r o n a n o e l e c t r o n i c T e c h n o l o g yA p r i l 2 0 2 3加工、测量与设备D O I:1 0.1 3 2 5 0/j.c n k i.w n d z.2 0 2 3.0 4.0 1 5收稿日期:2 0 2 2-1 1-2 8基金项目:国家青年基金资助项目(6 1 9 0 4 1 2 2);山西省回国留学人员科研资助项目(2 0 2 2-0 7 1)通信作者:孙永娇氧化镨纳米材料的制备及其对环己酮的气敏性能王宝霞,王世贞,侯煜晨,孙永娇(太原理工大学 信息与计算机学院 纳米能源与器件实验室,太原 0 3 0 6 0 0)摘要:采用水热法制备了氧化镨(P r6O1 1)纳米材料,通过场发射扫描电子显微镜(F E S EM)、X射线能量色散谱仪(E D S)和X射线衍射仪(X R D)对所制备微结构的形貌、化学组分和晶体结构进行了表征。分析结果表明,制备的P r6O1 1颗粒多为边长(2 8 04 2.9)n m的正四面体纯相纳米结构。制备了基于P r6O1 1纳米材料的气体传感器,并测试了其对环己酮的气敏性能。测试结果表明,在最佳工作温度(约2 4 0)下,P r6O1 1气体传感器对体积分数为51 0-5的环己酮的响应度可达1 0.5,响应和恢复时间分别为3 5和7 4 s。同时,随着检测环境相对湿度的增加,P r6O1 1气体传感器的响应度有所下降,但仍然具备良好的环己酮检测能力,证明其在复杂环境中低浓度环己酮检测领域具有巨大的潜力。关键词:纳米材料;水热法;P r6O1 1;气体传感器;环己酮中图分类号:T B 3 8 3;T P 2 1 2 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 1-4 7 7 6(2 0 2 3)0 4-0 6 0 2-0 7P r e p a r a t i o n a n d G a s S e n s i n g P r o p e r t i e s t o C y c l o h e x a n o n e o f P r6O1 1 N a n o m a t e r i a lW a n g B a o x i a,W a n g S h i z h e n,H o u Y u c h e n,S u n Y o n g j i a o(L a b o r a t o r y o f N a n o E n e r g y a n d D e v i c e s,C o l l e g e o f I n f o r m a t i o n a n d C o mp u t e r,T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,T a i y u a n 0 3 0 6 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:P r a s e o d y m i u m o x i d e(P r6O1 1)n a n o m a t e r i a l w a s p r e p a r e d b y a h y d r o t h e r m a l m e t h o d.T h e m o r p h o l o g y,c h e m i c a l c o m p o s i t i o n s a n d c r y s t a l l i n e s t r u c t u r e w e r e c h a r a c t e r i z e d b y t h e f i e l d e m i s s i o n s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e(F E S EM),X-r a y e n e r g y d i s p e r s i v e s p e c t r o s c o p e(E D S)a n d X-r a y d i f f r a c t o m e t e r(X R D).T h e a n a l y s i s r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e a s-p r e p a r e d P r6O1 1 n a n o p a r t i c l e s a r e m o s t l y r e g u l a r t e t r a h e d r a l p u r e p h a s e n a n o s t r u c t u r e s w i t h s i d e l e n g t h o f(2 8 04 2.9)n m.T h e g a s s e n s o r b a s e d o n P r6O1 1 n a n o s t r u c t u r e w a s f a b r i c a t e d,a n d t h e g a s s e n s i n g p r o p e r t i e s t o c y c l o h e x a n o n e w e r e s t u d i e d.T h e m e a s u r e m e n t r e s u l t s s h o w t h a t t h e r e s p o n s e c a n r e a c h 1 0.5 t o c y c l o h e x a n o n e w i t h a v o l u m e f r a c t i o n o f 51 0-5 a t i t s o p t i m u m o p e r a t i n g t e m p e r a t u r e(a b o u t 2 4 0),a n d i t s r e s p o n s e t i m e a n d r e c o v e r y t i m e a r e 3 5 a n d 7 4 s,r e s p e c t i v e l y.M e a n w h i l e,t h e r e s p o n s e d e c r e a s e s w i t h t h e r i s e o f r e l a t i v e h u m i d i t y i n t h e t e s t a t m o s p h e r e.H o w e v e r,i t s t i l l s h o w s a g o o d d e t e c t i o n a b i l i t y f o r c y c l o h e x a n o n e.T h e s e r e s u l t s s u g g e s t t h a t t h e P r6O1 1 g a s s e n s o r h a s g r e a t p o t e n t i a l f o r l o w c o n c e n t r a t i o n s o f c y c l o h e x a n o n e 206王宝霞等:氧化镨纳米材料的制备及其对环己酮的气敏性能d e t e c t i o n i n c o m p l i c a t e d e n v i r o n m e n t s.K e y w o r d s:n a n o m a t e r i a l;h y d r o t h e r m a l m e t h o d;P r6O1 1;g a s s e n s o r;c y c l o h e x a n o n eP A C C:6 1 4 6;8 2 8 0 T0 引 言稀土纳米氧化物由于具有优异的光学、电学和催化特性,引起了研究者的广泛关注。例如二氧化铈(C e O2)作为一种稀土氧化物,被广泛应用于 催 化 剂、光 学 和 气 体 传 感 器 等 领 域1。P.P.L i等人1成功制备了C e O2纳米颗粒,并用于室温下氨气的检测,结果显示C e O2纳米颗粒气体传感器展现出优异的室温氨气传感性能。与C e O2性质类似的氧化镨(P r6O1 1)作为一种稀土氧化物,具有高电导率,同时存在P r3+和P r4+两种价态,两种价态之间有可能通过得失电子进行相互转换,这对于功能材料是十分重要的性质2。P r6O1 1在高温颜料的生产和陶器制造,以及催化剂、促进剂和稳定剂的燃烧催化领域得到广泛的研究和应用2-6。P r6O1 1在气敏传感领域中常作为修饰成分用于提高金属氧化物气体传感器的检测性能。例 如,钟 仕 科 等 人7、王 莹8、C.Y.W a n g等人9以 及R.S.J i n g等 人1 0研 究 了P r6O1 1/S n O2、P r6O1 1/Z n O复 合 材 料 对 挥 发 性 有 机 物(VO C)的气敏性能,结果表明负载适量的P r6O1 1可以 提 高S n O2气 敏 元 件 灵 敏 度。J.S.K i m等人1 1发现P r掺杂的I n2O3,通过P r6O1 1的3价与4价之间的转换,促进再生吸附氧,清除羟基,改善了I n2O3气体传感器的抗湿性。然而,对纯相P r6O1 1纳米材料在气体传感器方面的应用研究鲜有报道,有很大的探索空间。环己酮(C6H1 0O)作为一种重要的有机化工原料和溶剂,被广泛应用于塑料、印刷和录像带制造等工业生产1 2-1 3。环己酮有强刺激性气味,吸入环己酮气体会使人体感到不适,出现头晕、胸闷、全身无力等症状,甚至休克、呼吸衰竭1 2。通常,当环己酮气体的体积分数达到4.5 6 1 0-5时,人体可以感觉到气味;当体积分数达到6.8 41 0-5时,对人体皮肤和黏膜产生刺激;而超过7.5 01 0-5时,会出现急性中毒的症状1 2。因此,急需开发高效、灵敏的气体传感器用于环己酮的实时检测。本文采用水热法制备了正四面体P r6O1 1纳米材料,并通过场发射扫描电子显微镜(F E S EM)、X射线 能 量 色 散 谱 仪(E D S)和X射 线 衍 射 仪(X R D)对其形貌、组分以及晶体结构进行了表征。对基于P r6O1 1纳米材料制备的气体传感器在不同温度和不同湿度下进行了环己酮气敏测试。最后探讨了P r6O1 1气体传感器的敏感机理。1 实 验1.1 材料的制备与表征实 验 中 使 用 的 主 要 试 剂 包 括:硝 酸 镨(P r(NO3)36 H2O,分析纯)和聚乙烯吡咯烷酮(P V P,(C6H9NO)n,分析纯),购自阿拉丁试剂有限公司;尿素(C O(NH2)2,分析纯)和无水乙醇(C2H6O,分析纯),购自中国国药控股化学试剂有限公司。首先,将1 mm o l P r(NO3)36 H2O加入到4 m L去离子水和4 m L乙醇的混合溶液中搅拌均匀,形成溶液A;然后,依次将0.0 7 5 g P V P和0.7 8 0 g尿素溶解在1 0 m L去离子水和乙醇的混合溶液中(去离子水和乙醇的体积比为11),搅拌3 0 m i n 后形成溶液B;将溶液A和溶液B混合后继续搅拌均匀,倒入1 0 0 m L的反应釜中,1 4 0 下反应1 2 h。待反应结束后冷却到室温,用去离子水和乙醇分别离心洗涤3次,将沉淀物在8 0 下干燥后得到所需的P r6O1 1纳米材料。采用F E S EM(J S M-7 9 0 0 F,日本电子株式会社)对所制备材料的形貌进行观察;利用E D S(J S M-7 9 0 0 F,日本电子株式会社)对材料的组分进行了分析;通过X R D(Em p y r e a n,荷兰P AN a-l y t i c a l B.V.)对材料的晶体结构进行了表征。1.2 传感器制备与性能测试取