Einfache Synthese von Wurmloch-ähnlichem mesoporösem Zinnoxid durch verdunstungsinduzierte Selbstorganisation und die verbesserten Gassensoreigenschaften

Hintergrund

Unter halbleitenden Metalloxiden ist Zinndioxid (SnO₂ ), ein Halbleiter mit großer Bandlücke (3,6 eV) und einer Kristallstruktur vom Rutiltyp, hat viel Aufmerksamkeit für verschiedene potenzielle Anwendungen in den Bereichen Anodenmaterialien von Lithium-Ionen-Batterien [1], farbstoffsensibilisierte Solarzellen [2 ], Photokatalyse [3,4,5], leitfähige Materialien [6] und Gassensoren [7] aufgrund der großen Bandlücke, der nichtstöchiometrischen Natur, der ausgezeichneten elektronischen Mobilität und Stabilität. Heutzutage spielen Gassensoren eine sehr wichtige Rolle bei der Überwachung der Umweltverschmutzung [8], der Luftqualität in Innenräumen, der öffentlichen Gesundheit, der nicht-invasiven Krankheitsdiagnose und industriellen Anwendungen. Viele halbleitende Metalloxide wie ZnO [9], Co₃ O₄ [10], WO₃ [11,12,13,14,15], NiO [16, 17] und SnO₂ [18,19,20,21,22,23] wurden wegen des hervorragenden Ansprechverhaltens, der hohen Empfindlichkeit, der guten Zuverlässigkeit und der geringen Kosten für Gasmessanwendungen verwendet. Darunter SnO₂ wurde ausführlich für Gassensoren mit hoher Empfindlichkeit gegenüber verschiedenen Gasen untersucht, darunter Aceton [24], Stickstoffdioxid [25], Toluol [26], Ethanol [27], Formaldehyd [28, 29] und Methanol [30].

Die Eigenschaften von SnO₂ hängen direkt von seinem strukturellen und morphologischen Zustand ab, wie der Phase, Partikelgröße und Bandlücke. Daher wurden viele Anstrengungen unternommen, um SnO₂ . zu synthetisieren in nützliche nanostrukturierte Morphologien umzuwandeln, um seine chemischen und physikalischen Eigenschaften anzupassen [17, 31, 32]. Also verschiedene SnO₂ Nanostrukturen mit unterschiedlichen Morphologien wurden erhalten, die für viele Testgase gute Sensoreigenschaften zeigten. Inzwischen SnO₂ mit mesoporöser Struktur besitzt eine hohe spezifische Oberfläche und eine enge Porengrößenverteilung, die mehr aktive In-situ-Zentren für eine überlegene Wechselwirkung von SnO₂ . bereitstellen kann Pulver mit Analytgas und leichter Gasdiffusion in die porösen Sensorschichten; es könnte die Gaserfassungseigenschaften weiter verbessern. Mesoporöses SnO₂ wurde zuvor durch verschiedene Verfahren hergestellt, einschließlich Sol-Gel- und sonochemischen Verfahren unter Verwendung supramolekularer Template. Die Literatur zur Herstellung von SnO₂ weisen darauf hin, dass eine einfache und wirtschaftliche Methode zur Synthese von mesoporösem SnO₂ stellt immer noch eine Herausforderung dar, und weitere Verbesserungen sind erforderlich. Darüber hinaus ist die durch Verdampfung induzierte Selbstorganisation eine ziemlich effektive Methode zur Synthese poröser Nanokristalle und hat die Vorteile homogener Porengrößen, kontrollierbarer Morphologien und milder Reaktionsbedingungen [33, 34].

In diesem Artikel wurde ein einfacher verdampfungsinduzierter Selbstorganisationsprozess verwendet, um SnO₂ . zu synthetisieren Mesostruktur unter milden Bedingungen für eine effektive Gassensoranwendung. Die Mikrostruktur, Morphologie und die Sensoreigenschaften des mesoporösen SnO₂ wurden systematisch untersucht. Die Testergebnisse zu den gassensorischen Eigenschaften zeigten das so hergestellte mesoporöse SnO₂ hatte eine gute Empfindlichkeit bei einer geeigneten Betriebstemperatur, und die verbesserten Gaserkennungseigenschaften waren eng mit ihren miteinander verbundenen Poren und freiliegenden Facetten verbunden. Darüber hinaus wurde auch der mögliche Mechanismus verbesserter Gassensoreigenschaften diskutiert.

Methoden

Alle in den Experimenten verwendeten Chemikalien waren Reagenzien von analytischer Qualität, die von Sinopharm Chemical Reagent Co. Ltd. bezogen und ohne weitere Reinigung verwendet wurden. In einem typischen Verfahren 0,42 g SnCl₄ ·5H₂ O und 0,336 g Zitronensäure wurden zuerst in 10 ml entionisiertem Wasser gelöst. 0,144 g strukturdirigierendes Mittel (Vorlage) (EO)₂₀ (PO)₇₀ (EO)₂₀ (P123) wurde in 10 ml Ethanol gelöst und 1 ml Salpetersäure wurde als Kondensationsinhibitor zugegeben. P123-Lösung wurde dann unter kräftigem Rühren in die Zinnlösung gegeben. Die gebildete Mischung wurde mit PE-Folie bedeckt, bei 60 °C im Wasserbad 2 h gerührt und dann in einen Trockenofen bei 60 °C gestellt, um den Lösungsmittelverdampfungsprozess zu durchlaufen. Der so gebildete Feststoff wurde 3 h an Luft kalziniert, um die Matrize zu entfernen und schließlich das mesoporöse SnO₂ . herzustellen . Das mesoporöse SnO₂ kalziniert bei 350, 400 und 450 °C wurden als SnO₂ . bezeichnet -350 °C, SnO₂ -400 °C und SnO₂ -450 °C bzw.

Die Phasenanalyse wurde am D/MAX2550VB ⁺ . durchgeführt Röntgendiffraktometer mit einer Beschleunigungsspannung von 40 kV und einem Emissionsstrom von 300 mA, Cu Kα-Strahlung (λ = 1,5405 Å) als Strahlungsquelle und Graphit als Monochromator; 2θ im Bereich von 0,5° bis 80° wurde bei einer Abtastrate von 0,02 °/s erkannt. Transmissionselektronenspektroskopie (TEM) und hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) Bilder der Produkte wurden mit einem Tecnai G ² . aufgenommen -20ST-Elektronenmikroskopie bei 220 kV. Die N₂ Adsorptions-Desorptions-Isothermen wurden bei 77 K aufgezeichnet und mit einem ASAP 2020-Oberflächenanalysator analysiert. Die Berechnung der spezifischen Oberflächen erfolgte nach der Brunnauer-Emmett-Teller (BET)-Gleichung und Abschätzungen der Porengrößenverteilungen wurden mittels Barrett-Joyner-Halenda (BJH)-Methoden abgeleitet. Fourier-Transformations-Infrarot-(FTIR)-Spektren der Proben wurden auf einem Nicolet Nexus 670 FTIR-Spektrophotometer unter Verwendung von KBr-Pellets aufgezeichnet, und die Mischung wurde zur IR-Messung zu einem Pellet gepresst. Das Photolumineszenz-(PL)-Spektrum wurde auf einem HITACHI FL-4500 bei Raumtemperatur unter Verwendung einer Xe-Lampe mit einer Wellenlänge von 310 nm als Anregungsquelle gemessen.

Erstens die Pulver von mesoporösem SnO₂ wurden mit mit Methylcellulose gesättigtem Terpineol gemischt, um eine verdünnte Aufschlämmung zu bilden. Dann wurde die Aufschlämmung auf ein Aluminiumoxid-Keramikrohr aufgetragen, das mit einem Paar Goldelektroden und vier Pt-Drähten bedruckt war. Nach dem Trocknen unter Umgebungsbedingungen wurde das Keramikrohr 3 h auf 350 °C erhitzt. Schließlich wurde eine kleine Spule aus einer Ni-Cr-Legierung als Heizelement in das Rohr eingesetzt, um die Betriebstemperatur bereitzustellen.

Der Gasmesstest wurde an einem WS-30A-System (Weisheng Electronics Co., Ltd., China) durchgeführt. Vor den Messungen wurde das Gerät 48 h bei 350 °C an Luft gealtert, um die Stabilität zu verbessern. Die Reaktion wurde als Ra/Rg definiert, wobei Ra und Rg die Widerstände des Sensors in Luft bzw. in reduzierender Atmosphäre waren. Die Ansprech- und Erholungszeiten wurden als die Zeit definiert, die der Sensor benötigt, um 90 % der Gesamtwiderstandsänderung bei Adsorption bzw. Desorption zu erreichen. Die feuchtigkeitsempfindlichen Eigenschaften von mesoporösem SnO₂ Sensoren wurden bei der optimalen Betriebstemperatur unter vier verschiedenen relativen Luftfeuchtigkeiten (RH) (24, 43, 75 und 97 %) mit gesättigten CH₃ .-Lösungen untersucht KOCH, K₂ CO₃ , NaCl und K₂ SO₄ , bzw. Das Prüfprinzip der Gassensoren war ähnlich dem in der Literatur beschriebenen [21].

Ergebnisse und Diskussion

Wie in Abb. 1 dargestellt, mesoporöses SnO₂ Pulver wurden durch mizellare Aggregation, Verdampfung, Selbstorganisation und Entfernung von Tensiden hergestellt. Zuerst wurden die Zinnspezies und die P123-Moleküle gleichmäßig vermischt, um die ursprüngliche Lösung zu bilden. Das P123 diente im Experiment als eine Art strukturdirigierendes Agens, das sich anschließend als flüssigkristalline Mesophase zu Micellen zusammenfügte. Unter solvothermalen Bedingungen konnten P123-Micellen an den Oberflächen von Sn(OH)₄ . adsorbiert werden bei langsamem Verdampfungsfortschritt in der Lösung oder SnO₂ durch schwache Koordinationsbindungen, um komplexe Zwischenstufen vom Kronenether-Typ zu bilden, die das Wachstum des SnO₂ . hemmen Partikel [35]. Als Ergebnis einheitliches SnO₂ Nanokristalle wurden erhalten. Durch die induzierte Selbstorganisation dieser Partikel und die Entfernung des Tensids durch eine einfache thermische Behandlung entsteht das mesoporös strukturierte SnO₂ wurde erfolgreich erhalten, was für eine große Oberfläche und ein hohes Porenvolumen verantwortlich war.

Schematische Darstellung des Syntheseverfahrens von mesoporösem SnO₂ Pulver

Die Kristallstrukturen von wie synthetisiertem mesoporösem SnO₂ Proben mit unterschiedlichen kalzinierten Temperaturen wurden durch XRD-Messungen untersucht, und ihre Muster sind in Abb. 2 gezeigt. Die Bildung der Mesostruktur wurde durch Kleinwinkel-XRD-Muster bestätigt (Abb. 2a). Probe SnO₂ -400 °C zeigt einen stärkeren Beugungspeak um 1,7°, der für die mesoporöse Struktur charakteristisch ist, während die Probe SnO₂ -350 °C zeigt keinen charakteristischen mesoporösen Peak. Die Probe SnO₂ -450 °C weist einen relativ schwächeren und breiteren Beugungspeak auf, was zeigt, dass eine höhere Kalzinierungstemperatur zum Zusammenbruch der Mesostruktur und zur Verringerung des entsprechenden Beugungspeaks führen kann. Abbildung 2b zeigt die entsprechenden Weitwinkel-XRD-Muster von mesoporösem SnO₂ bei verschiedenen Temperaturen kalziniert. Alle Beugungspeaks sind auf die tetragonale Rutilstruktur von SnO₂ . indiziert (JCPDS-Karte Nr. 41-1445) [36]. Die Beugungspeaks bei 26,7°, 33,9° und 52,0° können als (110), (101) bzw. (211) Gitterebenen indiziert werden. Darüber hinaus ist die erhöhte Intensität von SnO₂ Reflexionen für eine höhere kalzinierte Temperatur weisen auf eine bessere Kristallinität hin. Die stark verbreiterten Peaks weisen darauf hin, dass das SnO₂ Pulver bestehen aus kleinen Kristalliten, was gut mit den TEM-Ergebnissen übereinstimmt.

a Kleinwinkel- und b Weitwinkel-XRD-Muster von mesoporösem SnO₂ Pulver

Die Textureigenschaften und Porenstrukturen verschiedener Proben wurden mit dem N₂ . gemessen Adsorptions-/Desorptionsisotherme. Die N₂ Adsorptions-/Desorptions-Isothermenkurven von mesoporösem SnO₂ kalziniert bei unterschiedlichen Temperaturen (Abb. 3a) zeigen einen Typ-IV-Adsorptionszweig mit einem ausgeprägten Typ H3 Hystereseschleife, und diese Art von Isotherme ist ein typisches Merkmal mesoporöser Strukturen [37,38,39,40,41]. Das Ergebnis wird durch die entsprechenden BJH-Porengrößenverteilungen weiter bestätigt (Abb. 3b). Die Brunauer-Emmett-Teller (BET)-spezifischen Oberflächen (S _WETTEN ) von SnO₂ -350 °C, SnO₂ -400 °C und SnO₂ -450 °C wurden mit 281, 356 und 307 m ² . berechnet /g, ohne offensichtliche Abnahme mit steigender Kalzinierungstemperatur, was auf die gute thermische Stabilität von mesoporösem SnO₂ . hinweist hergestellt durch einstufige verdampfungsinduzierte Selbstorganisation (EISA)-Methode. Inzwischen ist das Gesamtporenvolumen (V _Poren ) und durchschnittlicher Porendurchmesser (d _Poren ) wurden mit 0,14, 0,28 bzw. 0,22 cm ³ . berechnet /g und 2.9, 5.3 und 4.7 nm (Tabelle 1). Es zeigt einen leichten Anstieg der Textureigenschaften von 350 auf 400 °C, der auf die vollständige Entfernung des organischen Templats und eine mögliche Verbindung der Porensysteme zurückzuführen ist, während der geringfügige Rückgang von 450 auf 400 °C auf den leichten Einbruch von die Mesostruktur.

a Stickstoffadsorptions-Desorptions-Isothermen. b Entsprechende BJH-Porengrößenverteilungskurven von mesoporösem SnO₂ Pulver

Die Mesostruktur der Proben konnte durch die TEM-Bilder bestätigt werden. Typische TEM-Bilder von SnO₂ . wie synthetisiert Proben, die bei verschiedenen Temperaturen kalziniert wurden, sind in Abb. 4 gezeigt. Sie zeigt deutlich die wurmlochähnlichen Mesoporen, die durch die Aggregation einheitlicher Nanopartikel gebildet wurden. Eine solche Porenstruktur ähnelt der von SnO₂ von anderen Forschern hergestellte Proben [42, 43]. Die wurmlochartige mesoporöse Struktur kann durch Erhöhung der Kalzinierungstemperatur von 350 auf 400 °C verbessert werden (Abb. 4a, b). Das (ausgewählte Flächenelektronenbeugung) SAED-Muster von SnO₂ -400 °C (Abb. 4b) zeigt die polykristalline Kassiteritstruktur mit drei breiten Beugungsringen entsprechend (110), (101) bzw. (221) Reflexen, die gut mit den XRD-Ergebnissen übereinstimmen. Das HRTEM-Bild von SnO₂ -400 °C (Abb. 4c) zeigte deutlich seinen Gitterstreifen und den Gitterstreifenabstand von SnO₂ -400 °C Nanopartikel sind 0,32 nm, was die (110)-Basisebene von SnO₂ . darstellt Kristalle. Die mesoporöse Struktur kann nach der Kalzinierung bei 450 °C gut erhalten bleiben (Abb. 4d), was auf die ausgezeichnete thermische Stabilität von mesoporösem SnO₂ . hinweist .

TEM-Bilder von a SnO₂ -350 °C, b SnO₂ -400 °C (Einschub ist das entsprechende SAED-Muster) und d SnO₂ -450 °C. c HRTEM-Bild von SnO₂ -400 °C

Die FTIR-Spektren verschiedener Proben sind in Abb. 5a dargestellt. Das charakteristische Dehnungsband bei 1658 cm ⁻¹ wird der Gruppe C=O zugeordnet. Die Vibrationsbänder bei etwa 2803, 1381 und 1349 cm ⁻¹ werden den Schwingungen von CH₂ . zugeschrieben Spezies. Die Bänder bei etwa 763 und 623 cm ⁻¹ werden verschiedenen Schwingungsmoden der O–Sn–O- und Sn–O–Sn-Gruppen zugeordnet. Es zeigte, dass in der Probe SnO₂ . ein organisches Resttemplat vorhanden ist -350 °C. Wenn die kalzinierte Temperatur ansteigt, werden die Banden bei 1658, 2803, 1381 und 1349 cm ⁻¹ werden durch die Zersetzung der organischen Spezies verringert. Diese Banden verschwanden für die Probe SnO₂ -450 °C, was darauf hinweist, dass die Tensidvorlage durch Kalzinieren bei 450 °C vollständig entfernt wurde. Photolumineszenz(PL)-Spektroskopie ist ein geeignetes Verfahren zur Bestimmung der Kristallqualität und der Exzitonen-Feinstruktur [44]. PL-Emissionsspektren bei Raumtemperatur wurden durchgeführt, um die optischen Eigenschaften von mesoporösem SnO₂ . zu untersuchen . Abbildung 5b zeigt die PL-Emissionsspektren des mesoporösen SnO₂ mit unterschiedlichen kalzinierten Temperaturen und die Anregungswellenlänge betrug 310 nm. Die bei 400 und 450 °C kalzinierten Proben weisen zwei Hauptpeaks in den Emissionsspektren auf. Ein Emissionsband liegt bei etwa 390 nm und das andere bei etwa 458 nm, was darauf hindeutet, dass eine Temperaturerhöhung von 400 auf 450 °C nur geringe Auswirkungen auf die optischen Eigenschaften der Proben hat, da die Energielücke von SnO₂ war 3,62 eV. Die Peaks von SnO₂ -350 °C sind merklich höher als die der bei 400 und 450 °C kalzinierten Proben, was auf das restliche organische Templat zurückgeführt werden kann, das an der Oberfläche zu Strukturdefekten führt [45, 46]. Der Peak bei 390 nm ist unabhängig von der Konzentration der Sauerstoffleerstellen und stammt von Strukturdefekten oder Lumineszenzzentren wie Nanokristallen und SnO₂ .-Defekten . Die Defekte befinden sich hauptsächlich auf der Oberfläche der Nanostrukturen und könnten eine Reihe von metastabilen Energieniveaus innerhalb der Bandlücke von mesoporösem SnO₂ . bilden durch Einfangen von Elektronen aus dem Valenzband. Dies trägt zu den Lumineszenz- oder Sn-Zwischengitterplätzen bei, die während des verdampfungsinduzierten Selbstorganisationsprozesses gebildet werden [47]. Der Peak bei 458 nm wird auf sauerstoffbedingte Defekte zurückgeführt, die während des Wachstumsprozesses eingeführt wurden [48]. Die Intensität zweier Emissionsbanden nimmt mit steigender kalzinierter Temperatur zu, während sich die Position der beiden Emissionsbanden nicht offensichtlich ändert.

a FTIR-Spektren. b Die Photolumineszenzspektren von mesoporösem SnO₂ Proben (die Anregungswellenlänge beträgt 310 nm)

Die gassensorischen Eigenschaften des mesoporösen SnO₂ Sensoren sind in Abb. 6 dargestellt. Im Allgemeinen wird das Ansprechen der Gassensoren durch ihre Arbeitstemperatur beeinflusst [49, 50]. Daher sind die Reaktionen des mesoporösen SnO₂ Sensoren mit unterschiedlichen kalzinierten Temperaturen bis 200 ppm Ethanol bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen (Abb. 6a) werden untersucht, um die optimalen Arbeitstemperaturen zu ermitteln. Es zeigt, dass die Reaktionen von mesoporösem SnO₂ kalziniert bei 400 °C blieb bei verschiedenen Betriebstemperaturen am höchsten, und dennoch wurde festgestellt, dass die Reaktionen mit einer Erhöhung oder Verringerung der Betriebstemperatur verringert wurden. Die Reaktionen von mesoporösem SnO₂ kalziniert bei unterschiedlichen Temperaturen haben einen ähnlichen Trend, der mit steigender Betriebstemperatur zuerst zu- und später abnimmt und das Maximum bei 200 °C auftritt, was darauf hindeutet, dass die optimale Arbeitstemperatur von mesoporösem SnO₂ kalziniert bei unterschiedlichen Temperaturen zu Ethanol beträgt 200 °C, und die folgenden Diskussionen basieren alle auf den Ergebnissen, die bei 200 °C gemessen wurden.

a Reaktionen des mesoporösen SnO₂ Sensoren auf 200 ppm Ethanol bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen, b Reaktionen vs. Ethanolkonzentration und c Antwort-Erholungs-Kurve für das mesoporöse SnO₂ Sensoren (die Betriebstemperatur beträgt 200 °C). d Gasantworten des mesoporösen SnO₂ Sensoren bis 200 ppm Ethanol, Methanal, Methanol und Aceton bei 200 °C betrieben

Abbildung 6b zeigt die bei 200 °C getesteten Beziehungskurven zwischen Reaktionen und Ethanolkonzentration für das mesoporöse SnO₂ Sensoren bei unterschiedlichen Temperaturen kalziniert. Es zeigt, dass die optimale Ethanolkonzentration für mesoporöses SnO₂ . 200 ppm beträgt bei verschiedenen Temperaturen kalziniert. Mesoporöses SnO₂ kalziniert bei 400 °C zeigt die höchste Reaktion, und seine Reaktion auf 200 ppm Ethanol erreicht 41,6, was viel höher ist als die kalzinierte bei 350 und 450 °C. Abbildung 6c zeigt die Reaktions-Erholungs-Kurven des mesoporösen SnO₂ Sensoren für Ethanol, die zum Vergleich unter gleichen Bedingungen (die Betriebstemperatur beträgt 200 °C) getestet werden. Es zeigte sich, dass die Reaktionsgeschwindigkeit des SnO₂ -400 °C Sensor ist höher als SnO₂ -350 °C und SnO₂ -450 °C. Die Reaktions- und Erholungszeit des SnO₂ -400 °C-Sensor war 31 bzw. 2 s lang. Mit steigender Ethanolkonzentration von 10 auf 200 ppm zeigen die Kurven der Gaserkennungseigenschaften eine steigende Tendenz, und die maximale Reaktion betrug 41,6 bei 200 ppm. Wenn die Ethanolkonzentration jedoch kontinuierlich auf 400 ppm ansteigt, nimmt ihre Empfindlichkeit ab und zeigt eine Abflachung von 400 auf 2000 ppm, da die Empfindlichkeit der Sensoren gesättigt war. Darüber hinaus sind die Reaktionen von SnO₂ -350 °C und SnO₂ -450 °C zeigen eine ähnliche unterschiedliche Tendenz, aber die Reaktionen sind viel geringer als bei SnO₂ -400 °C. Die Selektivität ist ein weiterer wichtiger Parameter zur Bewertung der Sensorfähigkeit eines Gassensors [51, 52]. Abbildung 6d zeigt ein Balkendiagramm des mesoporösen SnO₂ . Sensoren mit unterschiedlichen kalzinierten Temperaturen bis 200 ppm Ethanol, Methanal, Methanol und Aceton bei einer Betriebstemperatur von 200 °C. Wie in Abb. 6d gezeigt, zeigen die Sensoren die höchste Reaktion auf Ethanol gegenüber anderen Zielgasen. Außerdem sind die Sensoren weniger empfindlich gegenüber Aceton. Die Reaktion des mesoporösen SnO₂ kalziniert bei 350, 400 und 450 °C auf 200 ppm Ethanol ist 9,3, 41,6 bzw. 30,5. Es kann auch beobachtet werden, dass die Antworten des SnO₂ -350 °C-Sensor bis 200 ppm Ethanol, Methanal, Aceton und Methanol sind weniger als 10 bei 200 °C. Diese Ergebnisse zeigen, dass das so hergestellte mesoporöse SnO₂ Sensoren können selektiv Ethanoldämpfe mit der Interferenz anderer Gase erkennen und haben eine gute Leistung in Bezug auf Betriebstemperatur und Ansprech-/Erholungszeit.

Die relative Luftfeuchtigkeit (RH) hat einen Einfluss auf die Gasantwort von Gassensoren auf Metalloxidbasis. Daher ist der Einfluss von RH auf dieses mesoporöse SnO₂ Sensor untersucht, und die Reaktionen auf 200 ppm Ethanol bei unterschiedlicher relativer Luftfeuchtigkeit sind in Abb. 7a gezeigt. Es ist klar, dass die Reaktionen mit zunehmender RH im Vergleich zu trockenen Bedingungen abnahmen. Unter 97 % der relativen Luftfeuchtigkeit betrug die Reaktion etwa 17,2, 30,3 und 5,1 für die Sensoren SnO₂ -450 °C, SnO₂ -400 °C und SnO₂ -350 °C, was höher war als die Werte, die bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 43 und 75 % gefunden wurden. Darüber hinaus ist das SnO₂ -400 °C wird weniger von Feuchtigkeit beeinflusst und zeigt eine geringere Abnahme der Ethanolreaktion. Die Langzeitstabilität des SnO₂ -400 °C-Sensor wurde 10 Tage lang unter 200 ppm Ethanol bei einer Betriebstemperatur von 200 °C getestet, wie in Abb. 7b gezeigt. Es wird gezeigt, dass sich die Reaktion jeden Tag änderte, die maximalen Abweichungen der Reaktionen auf Ethanol jedoch weniger als 10 % betragen. Der Sensor basiert eindeutig auf dem mesoporösen SnO₂ -400 °C hat eine ausgezeichnete Langzeitstabilität, die als vielversprechender Kandidat für praktische Gasmessanwendungen verwendet werden kann.

a Reaktion des mesoporösen SnO₂ Sensoren auf 200 ppm Ethanol als Funktion der relativen Luftfeuchtigkeit bei 200 °C. b Langzeitstabilität des SnO₂ -400 °C-Sensor bis 200 ppm Ethanol bei 200 °C

Basierend auf den Ergebnissen der gassensorischen Eigenschaften für das mesoporöse SnO₂ Sensoren mit unterschiedlichen kalzinierten Temperaturen zeigte sich, dass das mesoporöse SnO₂ -400 °C-Sensor hat die beste Gesamtleistung, die auf die große Oberfläche und das Porenvolumen zurückzuführen ist, die durch die Induktion des Selbstmontageprozesses gebildet werden. Es zeigt eine leichte Abnahme der Textur- und Gassensoreigenschaften, wenn die kalzinierte Temperatur von 400 auf 450 °C ansteigt, was darauf hindeutet, dass mesoporöses SnO₂ hat eine gute chemische Stabilität und thermische Stabilität. Außerdem ist der Rückgang auf den leichten Kollaps der Mesostruktur zurückzuführen. Das mesoporöse SnO₂ -350 °C-Sensor hat die schlechteste Gesamtleistung, was auf die Kanalverstopfung durch das restliche organische Templat zurückzuführen ist. Als die kalzinierte Temperatur auf 400 °C anstieg, wurde das organische Templat vollständig entfernt und kann die miteinander verbundenen Porenkanäle bilden, um die Gassensorleistung weiter zu verbessern.

Einige Ethanol-Erfassungsergebnisse von SnO₂ -basierte Materialien aus der Literatur sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Unser mesoporöses SnO₂ Nanopartikel zeigten eine bessere Ethanol-Erfassungsleistung. Das SnO₂ -400 °C zeigt die ausgezeichnete Reaktion 41,6 bei 200 °C für 200 ppm gasförmiges Ethanol. Die Ergebnisse zeigen, dass das so synthetisierte mesoporöse SnO₂ ist ein vielversprechendes Gassensormaterial für die Ethanolerkennung.

Gemäß den obigen Ergebnissen haben wir den Mechanismus der verbesserten Gassensoreigenschaften in Abb. 8 vorgeschlagen. Im Allgemeinen ist der schmale leitende Kanal in SnO₂ Nanokristalle und Hochpotentialbarriere zwischen SnO₂ Nanokristalle bewirken, dass der Gassensor einen hohen Widerstandswert aufweist. Inzwischen ist die Ansammlung von SnO₂ Nanopartikel behindern die effektive Diffusion von Gasen, was zu einer Verschlechterung der gassensorischen Eigenschaften führt. Daher sind die Verbesserung der Porenstruktur und die Erhöhung der spezifischen Oberfläche effiziente Wege, um die Empfindlichkeit des Sensors zu verbessern. Im Mikromaßstab, wenn der Gassensor Luft ausgesetzt war, werden die Sauerstoffspezies auf SnO₂ . ionosorbiert Oberfläche (O₂ ⁻ , O ⁻ oder O ²⁻ ) [18, 53] durch Einfangen der Elektronen aus dem Leitungsband und erzeugten eine Verarmungsschicht nahe der Partikeloberfläche. In trockener Luft, O ⁻ ist die vorherrschende ionosorbierte Sauerstoffspezies [27, 54]; daher eine Reaktion zwischen O ⁻ Spezies ionosorbiert auf mesoporösem SnO₂ Nanopartikel und Ethanol entsteht. Als Ergebnis werden die Elektronen zurück in das Leitungsband von SnO₂ . abgegeben und das O ⁻ Arten werden in Wasser und Kohlendioxid umgewandelt. Dies führt zu einer Abnahme der Verarmungsschicht zusammen mit einer Widerstandsabnahme. Daher wurde in den Experimenten mesoporöses SnO₂ mit hoher spezifischer Oberfläche können mehr aktive Zentren bereitstellen und mehr chemisorbierte Sauerstoffgewürze auf der Oberfläche erzeugen, was die Verarmungsschicht von SnO₂ . erhöht . Darüber hinaus sind die poröse Struktur und die Nanogröße von SnO₂ Partikel ermöglichen eine effiziente Diffusion von Sauerstoff und Testgas (Ethanol) zu aktiven Zentren, wodurch der Sensor eine höhere Reaktion auf Zielgas (Ethanol) zeigt.

Schematische Darstellung des Ethanol-Erfassungsmechanismus von mesoporösem SnO₂

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das SnO₂ mit mesoporösen Nanostrukturen wurden mittels Verdampfungs-induzierter Selbstorganisationstechnik unter Verwendung des Triblockcopolymers P123 als Templat und Zinn(IV)chlorid-Pentahydrat als Metallvorstufe erfolgreich hergestellt und bei verschiedenen Temperaturen kalziniert. Die Ergebnisse zeigten, dass das mesoporöse SnO₂ haben eine gute chemische und thermische Stabilität. In den Gasmessstudien wurde das mesoporöse SnO₂ zeigten verbesserte Gaserkennungseigenschaften, wie schnelle Reaktions-/Erholungszeit, hohe Empfindlichkeit und gute Erkennungsselektivität für Ethanol. Mesoporöses SnO₂ kalziniert bei 400 °C zeigt die höchste Reaktion, und seine Reaktion auf 200 ppm Ethanol erreicht 41,6. Dies könnte auf ihre hohe spezifische Oberfläche und die miteinander verbundene Porenstruktur zurückgeführt werden, die mehr aktive Zentren bereitstellen und mehr chemisorbierte Sauerstoffwürze erzeugen können, um die Diffusion von Ethanolmolekülen und ihre Adsorption an der Oberfläche des SnO₂ . Wir glauben, dass das mesoporöse SnO₂ könnte eine hervorragende Erkennungsanwendung im Bereich der Verschmutzungserkennung, der medizinischen Diagnose und der industriellen Sicherheit haben.

Abkürzungen

WET:

Brunauer-Emmet-Teller

BJH:

Barrett-Joyner-Halenda

d _Poren :

Durchschnittlicher Porendurchmesser

EISA:

Verdunstungsinduzierte Selbstorganisation

JCPDS:

Pulverbeugungsstandards des Joint Committee

P123:

(EO)₂₀ (PO)₇₀ (EO)₂₀

PL:

Photolumineszenz

S _WETTEN :

Spezifische Oberflächen

SnO₂ :

Zinnoxid

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie

V _Poren :

Gesamtporenvolumen

XRD:

Röntgenbeugung