​CuO表面掺杂In2O3/CeO2纳米纤维用于低温一氧化碳气体检测

CuO surface doped In2O3/CeO2 nanofibers for ppb-ppm level carbon monoxide gas detection in low-temperature   

CuO表面掺杂In2O3/CeO2纳米纤维用于低温一氧化碳气体检测

文献来源:期刊：Sensors and Actuators: B. Chemical

作者：Kelin Hu等

通讯作者：Kelin Hu；Wen Zeng

机构：贵州大学电气工程学院；重庆大学材料科学与工程学院；中国南方电网贵州有限公司电力研究所。

简介

在这项工作中，作者设计并制备了负载CuO的In2O3/CeO2纳米纤维异质结，这种异质结有望用于痕量CO气体的检测。对材料进行了表征，确认了纳米纤维的形态和p-n异质结的结构，并分析了形态和结构对气敏性能的影响。在气体传感测试中，发现该传感器显示出70°C的低最佳工作温度，检测限低至50 ppb。在50 ppb至10 ppm的浓度范围内，传感器对一氧化碳气体表现出灵敏的线性响应。特别地，该传感器显示出11.7-10 ppm CO气体的响应（Ra/Rg），以及对于2 ppm CO气体的125 s/12 s的响应/恢复时间。此外，还测试了气体传感器的选择性、湿度响应和长期稳定性。最后，基于材料的结构，作者提出了增强一氧化碳气敏性能的机制。

材料的制备

将6毫升乙醇（99.9%）和5毫升DMF（N，N-二甲基甲酰胺）作为溶剂混合在烧杯中，并在25℃下连续搅拌在搅拌过程中，向溶剂中加入0.3克In（NO 3）3⋅XH2 O和0.4克Ce（NO 3）30.6H2 O。在它们完全溶解后，缓慢倒入0.6g PVP粉末，并连续搅拌静电纺丝溶液，直到它变得清澈和粘稠。静电纺丝溶液被转移到放置在蠕动泵前面的特殊注射器中。然后，将针连接到高压电源的正极，将金属板连接到负极。针板距离设置为25 cm，电极电压保持在15.2 kV和4.8 kV，进料速度为0.06毫升/分钟，温度控制在35℃，相对湿度保持在21%。在静电纺丝过程中，根据针和板之间的相对移动路径，纤维逐渐堆叠并附着在金属板上，形成一层前体纤维。静电纺丝后，将前驱纤维从金属板上移除，然后通过DC磁控溅射加载。高纯铜（纯度：99.999%）用作靶，氩气（Ar）用作载气，以70 sccm的流速流入溅射室；腔室中的真空度保持在5.1×101Pa。将溅射时间设定为300 s或600 s以控制装载量。溅射功率、电压和电流分别为150 W、300 V和0.5 A。最后，煅烧负载的纤维以去除纤维中的有机物和其他杂质。煅烧过程可分为三个阶段：加热阶段、恒温阶段和自然冷却阶段。较低的加热速率使得人们能够更容易地保持纳米纤维的完整形态。先前的研究表明，3°C/min的加热速率是最大的合适。为了研究不同煅烧温度对材料气敏性能的影响，建立了一组梯度温度为450°C、550°C和650°C的空气煅烧过程，并补充了一个空载空白样品作为对照。表1列出了样品S1-S5的制备条件的比较。

结果与讨论

通过XRD、SEM、TEM等表征手段对合成的材料进行观察，材料的形态和结构特征证实制备的材料为负载CuO的In2O3/CeO2纳米纤维。通过XPS图像分析CuO掺杂能够增强材料的表面活性。

从气敏测试结果表明CuO的形成有助于降低最佳操作一氧化碳气体传感器的温度和增加的响应。同时，CuO的过量负载会对感测产生负面影响。测试结果说明S3在五种传感器中具有最好的传感性能并可用于获得更强的气体响应较低的最佳温度。因此，更深入的气体传感测试应使用S3执行。对于一氧化碳气体浓度范围为50ppb至10 ppm，并且观察到传感器的响应增加随着气体浓度的增加。同时材料具有较好的选择性、重复性和长期稳定性。

由于纤维表面的活性位点，氧将被解离并在表面形成氧离子。这个工艺将进一步使电子固定在导带中，因此随着电子的进一步增加，电阻也会增加耗尽层宽度。相反，当一氧化碳进入传感器材料，表面的氧离子逐渐被消耗通过CO的催化氧化过程，释放出电子返回到导带中，这导致更薄的耗尽层和电阻的减小，从而实现电阻调制。进一步探讨加载气体传感性能的增强CuO，图10 B示出了不同的光纤耗尽层中的变化不同程度CuO负载下的环境。首先，在真空中，仅确定不加载CuO的光纤的耗尽层通过In 2 O 3/CeO2晶粒的界面。由于类似的工作在In 2 O 3和CeO 2的作用下，耗尽层具有有限的能力调节电阻。如果光纤负载有CuO，p-n结这将对扩展电阻调制范围。在空气中，晶格缺陷的表面纤维和其它活性位点，如未配位键结合与O2产生氧离子，氧离子继续固定电子并增加光纤的电阻。然而，表面上过量负载的CuO会覆盖活性位点最初暴露在空气中，使其无法与氧气反应传感特性将受到负面影响。因此，该机制提高材料的气敏性能CuO的适当加入促进了p-n的形成交叉点。

结论

本文制备了负载CuO的In2O3/CeO2纳米纤维用于检测一氧化碳气体。从表征分析和气体传感实验结果表明：(1）负载CuO的2 O3/CeO2纳米纤维对CO气体在ppblevel下表现出明显的传感作用性能，在70℃的低温下，对10 ppm CO气体的响应为11.7（2）传感器显示50 ppb的检测极限，并且在50 ppb-10 ppm的浓度范围内具有良好的线性。（3）传感器显示出良好的重复性、长期稳定性和选择性。（4）提出了一种气敏机理异质结可导致感测的显著增强属性。

转自：“科研一席话”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！