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），氮氣等溫物理吸附等表征手段對所制備材料進行了詳細分析。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乙醇具有較好的敏感度，高于對其他氣體的敏感度表現(xiàn)出較好的選擇性，在乙醇氣體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：TB383.1 文獻標識碼：A 文章編號：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體，其載流子通過改變價態(tài)從A位點躍遷到B位點以實現(xiàn)空穴的傳導[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)性有機污染物，因而及時地監(jiān)控空氣中乙醇氣體的濃度變得尤其重要。LaFeO3也是制備乙醇氣體傳感器的材料之一，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中的較低價態(tài)離子替換一部分La，進行A位摻雜[6]，抑或者取代Fe，進行B位上的摻雜[7]，其對乙醇氣體的敏感性能取得了一定的提升，但是進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乙醇具有較好的敏感度，高于對其他氣體的敏感度，表現(xiàn)出較好的選擇性，在乙醇氣體檢測方面有潛在的應(yīng)用。

1 實驗過程

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圖譜則顯示了與標準鐵酸鑭一致的特征衍射峰，未出現(xiàn)像一些文獻里報道的那樣發(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℃下對不同濃度乙醇氣體的動態(tài)響應(yīng)圖，從圖中可以看到，當通入低濃度乙醇氣體如1ppm時，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的乙醇氣體。圖2（b）為不同濃度乙醇氣體下多孔鐵酸鑭的敏感度，當乙醇氣體的濃度由100ppm升到200 ppm時，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，氮氣物理吸脫附曲線、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。對乙醇氣體進行的一系列測試表明多孔鐵酸鑭對乙醇氣體具有低至1ppm的檢測下限、良好的敏感度（對200 ppm乙醇氣體的響應(yīng)為127）以及高的循環(huán)穩(wěn)定性，是一種非常具有應(yīng)用潛力的乙醇氣體敏感材料。

參考文獻

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