基于多孔ZnO纳米片的选择性、灵敏和稳定的NO2气体传感器

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文章简介

作者：Myung Sik Choi

通讯作者：Dong Won Chun h

机构：Dong Won Chun h

期刊：Applied Surface Science

发表日期：2021-08-17

DOI: 10.1016/j.apsusc.2021.150910

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亮点

Synthesis of porous ZnO nanosheets via solvothermal method.

The improved responses were observed in porous ZnO nanosheets-based gas sensor.

Detailed explanation of the NO2 sensing mechanism.

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合成方法

首先，将0.02 mol Zn（NO）3·6H2O溶解在180 mL乙醇-水（1:2）混合物中，搅拌约30 min，然后向混合物中再次添加0.06 mol Zn(NO)3·6H2O，再搅拌30 min，得到均匀的白色溶液。将获得的溶液转移到250 mL聚四氟乙烯衬里高压釜中，并在180℃下保持24 h，然后冷却至室温。然后，收集白色沉淀物通过用去离子水和无水乙醇离心数次。最后，在80℃干燥6h，在550℃氩气下退火4h，得到多孔氧化锌纳米片。

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结构与形貌表征

图a和b显示了多孔氧化锌纳米片在两种不同放大倍数下的SEM图像。可以看出，成功形成了多孔ZnO纳米片结构。然而，几层纳米片相互重叠。每个纳米片都有一个多孔的形状，因为它的表面并不总是平坦的，并且在几个地方有稀疏的孔。ZnO纳米片大约有几微米宽，几十纳米厚。此外，平均孔径约为几十纳米。

图a显示了形成并重叠的多孔ZnO纳米片的典型TEM图像。图b显示了相应的HRTEM图像，显示了间隔为0.26 nm的条纹，属于ZnO的（002）晶面。图c显示了ZnO的选区电子衍射（SAED）图案，显示了与ZnO相关的斑点图案，许多圆形SAED图案代表多晶。一个微弱的图案表示可能会出现非晶相。HAADF化学图谱分析如图d–g所示。图e和f中分别观察到Zn和O的均匀分布。图g显示了锌和氧元素的同时分布。图h表示取自图2d的典型HAADF点分析。锌和氧元素的重量百分比分别为80.93和19.07 wt%。

图a显示了ZnO 纳米颗粒和多孔ZnO 纳米片的XRD图谱。衍射峰的高强度表明样品是高度结晶的。具有JCPDS文件号NO.36-1451的结晶纤锌矿ZnO的标准图案也显示了这两种情况（ZnO 纳米颗粒和多孔ZnO 纳米片）。我们还分别比较了图3b-d中ZnO 纳米颗粒和多孔ZnO 纳米片的（100）、（002）和（101）峰，它们非常匹配。

图a–d分别展示了ZnO 纳米颗粒（图a和c）和多孔ZnO 纳米片（图b和d）的XPS结果。可以看到所有预期元素，即Zn、O和C（参考）。这证明了合成了高纯度的多孔ZnO纳米片（图b）。图c和d显示了ZnO 纳米颗粒和多孔ZnO纳米片的O 1s核心水平区域。对XPS光谱的O1s峰进行反褶积，以进一步了解氧离子的氧化状态。在这两种情况下，O1s峰分为三个峰，分别位于530 eV（晶格氧）、531 eV（氧空位）和532 eV（化学吸附氧）。ZnO 纳米颗粒（图c）和多孔ZnO 纳米片（图d）的上述氧物种数量分别为76.7%、12.4%和10.9%和7.1%，45.0%和47.9%。ZnO 纳米颗粒（图e）和多孔ZnO 纳米片（图f）中显示的每个ZnO PL光谱进一步证明了XPS分析的ZnO表面上存在表面缺陷（氧缺陷或金属间隙）。就ZnO而言，由于380 nm左右的带间跃迁和550–650 nm之间的各种表面缺陷而导致的发光特性得到了广泛认可。因此，ZnO纳米颗粒的带到带过渡（图e）是主流，几乎没有缺陷，而我们的多孔ZnO纳米片（图f）在表面上有许多缺陷，而不是带到带的过渡，这可以解释为针对气体传感进行了优化。

ZnO 纳米颗粒和多孔ZnO 纳米片的BET表面积，分别如图a和b所示。多孔ZnO纳米片的BET表面积（11.51 m2/g）是ZnO 纳米颗粒的三倍（3.91 m2/g）。这种更高的表面积是由于合成的ZnO 纳米片具有高度多孔的形态，这导致ZnO 纳米片气体传感器具有更高的响应。

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气敏机理

氧分子离子在~150℃，O-物种在150–300℃物种中占主导地位和O2–在300℃以上的温度下占主导地位。这导致从多孔ZnO 纳米片表面去除电子并在空气中形成电子耗尽层（EDL）。注入NO2气体后，它可以直接吸附在气体传感器的表面上，也可以与已经吸附的氧物种发生反应，如下所示：

因此，在存在NO2气体分子的情况下，更多的电子从气体传感器的表面被提取出来，如图a所示，电子耗尽层的宽度有助于感测信号的NO2气体的存在下增加。此外，图b显示，在空气中的ZnO-ZnO同质结中，形成了势垒。在存在NO2气体的情况下，由于从ZnO表面提取更多的电子，势垒的高度增加，最终导致传感器电阻增加。此外，由于气体传感器显示出n型性质，它具有一些氧空位（或金属间隙），这些表面缺陷是吸附氧和NO2气体的有利位置，从而增强了气体响应（图c）。多孔ZnO纳米片气体传感器的高响应也可归因于高度多孔的形态，其提供了丰富的孔隙（改善了气体分子与传感材料的扩散），以及较大的比表面积（11.51 m2/g），从而导致更有效的位点可用性（改善了表面化学反应的动力学）。

转自：“科研一席话”微信公众号

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