SnO2纳米颗粒的水热法和溶胶-凝胶法制备及其气敏特性

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)甘肃省科学院传感技术研究所 作者:韩根亮

  通过不同条件的水热法和溶胶-凝胶技术分别制备了单分散SnO2纳米粉体。利用X射线衍射、透射电子显微镜和比表面积分析仪对产物进行了检测,采用静态配气法测试了样品的气敏性能。结果表明,水热时间越长,颗粒尺寸越大,以反应时间为6 h制备的粉体比表面积最大;溶胶-凝胶产物中,以SnCl2的乙醇溶液为原料制得的颗粒克服了热处理过程中产物易团聚的问题,颗粒尺寸均匀,具有良好的分散性和较高的比表面积。两种方法制备的粉体均对酒精具有良好的灵敏度,SnCl2的乙醇溶液为原料、溶胶-凝胶技术获得的材料对酒精的灵敏度更高,并认为热处理过程中Cl-的去除是导致材料气敏性能不同的主要因素。

  SnO2是一种重要的宽禁带( 3. 37 eV) 半导体料,具有良好的导电、气敏、光电性能,广泛应用于锂电池、催化剂、透明导电电极和固体传感器等领域。纳米SnO2由于具有大的比表面积,能显著提高气敏元件的灵敏度,其制备及性质研究一直处于传感器研究的中心。普遍认为,SnO2材料的气敏特性主要取决于粉体的粒径和比表面积,特别是粒径小于2 倍的德拜长度( L = 3 nm) 时,材料的气敏特性迅速提高[1],所以人们一直在努力探索各种制备方法以获得粒径小、比表面积大的纳米SnO2粒子及各种形貌的材料[2-3],并研究材料尺寸、形貌与其气敏性能的关系[4]。

  目前,制备纳米材料的方法主要有气相沉积法、水热法、化学沉淀法、溶胶-凝胶法[5]等,但是SnO2超细粉体普遍出现团聚,即使是经过表面疏水基修饰[6]、特殊方式的干燥[7]或微波处理[8]以后,颗粒也较难呈现单分散状态。此外,人们发现,除粒径和比表面积外,材料的制备工艺也是影响材料气敏性能的一大因素。所以获得粒度均匀、性能稳定的产物,寻找简单、方便、成本低的制备方法具有重要意义。溶胶-凝胶法和水热法为目前制备SnO2超细粉体的主要方法,前者容易获得细小颗粒,但普遍认为在热处理过程中产物容易产生硬团聚,后者避免了热处理过程,反应条件温和,然而产物容易被污染。针对上述问题,采用溶胶-凝胶法和水热法两种不同的工艺制备了纳米SnO2粉体,比较了产物的晶体结构、尺寸分布和比表面积,分析了影响颗粒尺寸及分散性的因素,比较了两种工艺所获材料制备的气敏元件与市售传感器的酒敏性能,发现纳米材料对酒精的灵敏度明显比市售酒敏传感器高的多,虽然水热产物具有较高的比表面积,但以SnCl2的乙醇溶液为反应物、溶胶-凝胶法制备的粉体对酒精的灵敏度最高,并解释了差异产生的主要原因。

  1) 通过溶胶-凝胶工艺,分别采用SnCl2 -乙醇和SnCl4 -乙二醇为原料,获得了粒径不同的SnO2纳米颗粒。前者得到的产物比后者得到的产物粒度均匀,分散性更好,晶粒更为理想。经比较,认为Sn 源和溶剂两方面的因素是造成差距的主要原因。该方法不需要表面活性剂或者特殊的干燥方式,解决了溶胶-凝胶工艺中热处理过程导致粉体的硬团聚问题;

  2) 采用草酸、CTAB 和SnCl2为原料,在160 ℃分别水热反应2、6 和24 h,制备了SnO2纳米粉体,检测结果发现随着水热反应时间的增加产物的平均粒径变大,反应6 h 的产物具有相对较好的结晶度和分散性;

  3) 对材料的比表面积进行分析,发现水热反应的时间很大程度的影响材料的比表面积,反应6 h 所得材料的比表面积最大达到35. 2988 m2/g; 溶胶-凝胶产物中两种产物的比表面积相差较小,但SnCl2 -乙醇体系的产物比SnCl4 -乙二醇体系的产物比表面积略大,为29.5214 m2 / g;

  4) 上述两种方法所得纳米材料对酒精均具有较好响应,水热粉体适合检测500 × 10-6 以下低浓度的酒精; 以SnCl2为原料、溶胶-凝胶法所得纳米粉体对酒精的灵敏度明显优于水热法制备的粉体和市售酒敏传感器,可以检测10~3000 × 10-6 范围内的气体,虽然水热产物具有相对较高的比表面积,但灵敏度比溶胶-凝胶产物更低,认为制备工艺过程的不同导致产物中Cl-的残留与否,是造成材料气敏性能不同的主导原因。

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