纳米TiO2和ZnO对ZnSnO3气敏性能影响的研究

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ZnO和SnO2是最早被用来研究气敏性能的宽禁带半导体材料,它们的复合氧化物ZnSnO3是一种新型气敏材料,其气敏性能优异,引起广大研究者的重视。但纯ZnSnO3像其它金属氧化物半导体材料一样,其最大气敏响应对应的工作温度较高,通常在200oC以上。因此,如何降低ZnSnO3气敏传感器的工作温度,成为本领域研究的重点。针对上述问题,本课题拟以nano-TiO2和ZnO作光催化材料,对ZnSnO3气敏材料进行改性,降低工作温度,提高响应值。首先使用共沉淀法制备出ZnSn(OH)6前驱体,然后将其与nano-TiO2、ZnO、TiO2-ZnO等修饰组分进行混合,并在高温下进行热处理得到对应复合物。以水为粘合剂将复合物制成糊状物并涂覆叉指电极片,干燥后得到薄膜型气敏元件。实验结果表明,当nano-TiO2为10 wt%时,nano-TiO2@ZnSnO3复合物在500 ppm的乙醇气体中达到最大气敏响应(74.21)所对应的工作温度为80oC;当nano-TiO2、nano-ZnO分别为10 wt%和0.5 wt%时,TiO2-ZnO@ZnSnO3复合物在500 ppm的乙醇气体中达到最大气敏响应(75.82)所对应的工作温度为70oC。本研究认为:当ZnSnO3与TiO2接触时,由于禁带宽度与功函数的差异,相互间会形成异质结,紫外光照下产生的大量光生电子空穴对会受到异质结的作用而发生分离,这加速了O离子的形成,降低了工作温度;当TiO2-ZnO协同作用时,虽然ZnO对365nm紫外光的吸收强度(0.44)不如ZnSnO3(0.579)和TiO2(0.647),但ZnO的引入使得ZnSnO3和TiO2界面处堆积的电子得到充分利用,从而进一步降低了工作温度。此外,对比课题组已有实验结果发现,使用相同商用TiO2纳米球修饰不同形貌ZnSnO3时,其复合物最大响应值对应的工作温度均为80oC,本课题对此规律性做出合理解释。综上所述,本课题成功制备出具有空心立方体形貌的ZnSnO3,并在此基础上引入nano-TiO2和ZnO进行改性,利用其优异的光学特性来提高ZnSnO3气敏性能,大幅度降低工作温度,提高响应值。本课题为如何得到形貌均匀的ZnSnO3和如何使用光催化材料降低ZnSnO3工作温度提供了新思路。
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