二氧化锡纳米线形貌控制及气敏性研究

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SnO2是一种灵敏度较高的半导体金属氧化物气敏材料,在工业上得到了广泛应用,对它的研究一直以来持续而深入发展。近些年来,随着研究的深入,纳米SnO2的合成和气敏性能的研究逐渐成为研究SnO2的热门领域。然而,多集中于三维纳米级的制备,SnO2纳米线的制备也有较多的文献报道,但所用方法存在能耗高,不易大量生产等问题。因此,探索一种成本低、能耗小、设备简单、适合规模化生产的SnO2纳米线新合成方法不仅具有理论意义,而且具有很高的潜在应用价值。本文以SnC2O4为锡源、乙二醇为反应溶剂,采用有机溶剂合成法,制取SnO2纳米线,重点分析了影响SnO2形貌的因素,总结了利用该法制备SnO2纳米线的最理想条件,达到控制SnO2形貌的目的。并对SnO2纳米线的合成机理以及气敏性能做了简要的分析。具体内容如下:(1)分析反应温度对SnO2形貌的影响,确定了SnO2一维纳米材料形成的反应温度区间为140-177℃,在该温度区间内,产物的直径尺寸与反应温度呈负相关性;分析反应时间对产物形貌的影响,发现反应时间在0-3h内,纳米线的量随着时间的增长而增多、直径尺寸变大,当反应时间为3h时,纳米线的量逐渐趋于稳定;分析表面活性剂对产物形貌的影响,选择了SDS、CATB以及PVP三种表面活性剂,通过分析发现,添加表面活性剂PVP得到的产物形貌更均一,尺寸更小,并且当PVP量在0-0.5g范围内时,产物的直径会随着其量的增加而减小;分析搅拌速度对产物形貌的影响,发现搅拌速度较低时易生成形貌较好的SnO2纳米线。(2)本文通过SEM、TEM、XRD、FT-IR、TGA等表征手段对产物的合成机理进行了分析。结果表明:醇锡盐的低聚合成反应为本实验的关键步骤,该步骤可描述为:SnC2O4中的草酸根逐渐被乙二醇单元取代,形成了Sn—O—共价键以及Sn OH配位键。随着反应的继续进行,醇锡盐经过一系列聚合反应,最终形成长链结构。通过分子间的相互作用力,该结构会继续自我组合,最终形成SnO2纳米线先驱体结构。经高温煅烧以后,其有机集团会消失,形成具有独特孔隙网的纳米线结构。(3)本文得出的最佳反应条件为:反应温度175℃、反应时间3h、PVP质量0.5g、搅拌速度500r/min。在该条件下制备的SnO2纳米线的形貌均一,其直径范围为35-50nm,长度约为2μm。(4)本文考察了工作温度、SnO2形貌、乙醇浓度对敏感材料的气敏性能的影响,并对SnO2纳米线气敏元件的响应-恢复时间进行了分析。与纳米棒和颗粒结构比较,SnO2纳米线制备的气敏元件具有很高的灵敏度,对1000ppm的乙醇气体的灵敏度为89,而相对应的纳米棒结构为42、颗粒结构为21。分析其原因在于,SnO2纳米线的晶格尺寸很小,比表面积大,并且在SnO2纳米线材料表面及内部有大量孔隙结构,其相互连通,构成孔隙网,该结构能使待测气体快速被吸附在SnO2纳米粒子的所有表面上。
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