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。
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