NO2是大氣中有毒、有害的氣體之一，是酸雨和光化學(xué)煙霧的前體。它是由燃料燃燒產(chǎn)生的，對生活環(huán)境造成了嚴(yán)重的有害影響。因此，迫切需要開發(fā)高靈敏度、低檢測限的NO2氣體傳感器。目前，各種納米結(jié)構(gòu)的金屬氧化物半導(dǎo)體，如SnO2、ZnO、WO3和TiO2，因其成本低、操作簡單和無毒作為NO2傳感材料被廣泛研究。其中，氧化鎢是一種寬帶隙 (2.6 ~ 3.2 eV) 的n型半導(dǎo)體，因其成本低、靈敏度高、重復(fù)性好而被認(rèn)為是一種很有前途的NO2傳感材料。然而，由于一些WO3納米結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性較差，WO3氣體傳感器的工作溫度通常在200℃以上。解決這一問題的一般策略是用貴金屬 (Au、Ag和Pt) 進(jìn)行表面功能化然而，該方法并不總是**的，因?yàn)橘F金屬顆粒容易發(fā)生催化中毒，貴金屬改性增加了制備成本。另一種方法是通過制備分級納米結(jié)構(gòu)來增加它們的表面體積比。分級WO3納米結(jié)構(gòu)可以增加NO2分子的活性吸附位點(diǎn)，這些薄的結(jié)構(gòu)單元可以提供**的電子傳遞途徑。

圖文解析

圖1 硫脲濃度為0、0.05、0.1和0.2 M的前驅(qū)體制備的樣品的XRD圖

圖2  硫脲濃度為0、0.05、0.1和0.2 M的前驅(qū)體制備的樣品的SEM圖像

前驅(qū)體中未添加硫脲合成的樣品為正交晶相WO3?0.33H2O。隨著前驅(qū)體硫脲濃度的增加，樣品的正交晶WO3?0.33H2O的 (111) 峰衍射強(qiáng)度逐漸減小。當(dāng)前驅(qū)體硫脲濃度為0.2M制備樣品的物相為六方晶型WO3。由XRD結(jié)果可以得出，通過前驅(qū)體中硫脲的濃度來調(diào)節(jié)樣品的晶相。另外，由SEM結(jié)果表明，前驅(qū)體中硫脲的濃度可以調(diào)節(jié)樣品的形貌和微觀組織。因此，陰離子表面活性劑通過限制晶體在特定方向上的生長，在聚集過程中既充當(dāng)結(jié)構(gòu)引導(dǎo)劑，又充當(dāng)形貌引導(dǎo)劑。

圖3 基于前驅(qū)體硫脲濃度為0.05、0.1和0.2 M制備的樣品的傳感器的I-V特性

由傳感器的I-V特性曲線可知，前驅(qū)體硫脲濃度為0.2 M制備樣品的傳感器表現(xiàn)出良好線性歐姆關(guān)系和較優(yōu)電導(dǎo)性。因此，在接下來的表征和氣敏測試中，選用含0.2 M硫脲前驅(qū)體合成的WO3納米網(wǎng)作為傳感材料。

圖4 WO3納米網(wǎng)傳感器在160℃下對NO2 (500 ppb) 以及其它幾種氣體如C2H6O (10 ppm)、NH3 (10 ppm)、CO (50 ppm) 和H2S (5 ppm) 的響應(yīng)

圖4顯示了基于WO3納米網(wǎng)的傳感器對NO2 (500 ppb)、C2H6O (10 ppm)、NH3 (10 ppm)、CO (50 ppm) 和H2S (5 ppm) 的響應(yīng)。與其它氣體相比，WO3納米網(wǎng)傳感器對NO2的響應(yīng)顯著，盡管其它氣體的濃度更高。因此，可以得出結(jié)論，所制備的WO 3納米網(wǎng)傳感器對NO2表現(xiàn)出**的選擇性。

圖5  WO3納米網(wǎng)傳感器的氣敏機(jī)制示意圖：(a) 空氣中；(b) NO2中

圖5顯示了用于WO3納米網(wǎng)傳感器的NO2傳感機(jī)制的示意圖。在空氣中，氧氣在低溫 (<200℃) 下吸附在WO3納米網(wǎng)的表面上形成吸附氧，奪取了WO3表面自由電子，使WO3表面形成電子耗盡層。當(dāng)WO3納米網(wǎng)暴露在NO2氣體中時(shí)，NO2分子奪取WO3表面電子的能力更強(qiáng)，表面電子耗盡層進(jìn)一步增寬。由WO3納米線組成的WO3納米網(wǎng)可以提供比常規(guī)塊狀材料更高的比表面積，從而為氣體提供更多的表面吸附位。此外，高純度單晶納米線促進(jìn)了電子轉(zhuǎn)移，也提高了WO3納米網(wǎng)的NO2傳感性能。高性能的分級結(jié)構(gòu)的WO3納米網(wǎng)傳感材料的設(shè)計(jì)，為其它寬帶隙金屬氧化物傳感器的開發(fā)提供借鑒。

我們有硫化鉍Bi2S3納米棒、硫化鉍Bi2S3納米顆粒、硫化鉍Bi2S3納米片、硫化鉍Bi2S3熒光量子點(diǎn)、硫化鉬-殼聚糖納米片、硫化鎢-還原氧化石墨烯-殼聚糖(WS2-Gr-CS)、馬來酰亞胺修飾二硫化鉬(MoS2-MAL)、納米金負(fù)載二硫化鉬納米片Au-MoS2、納米金修飾二氧化鈦納米顆粒、納米金銀核殼復(fù)合顆粒、納米片狀硫化錫-鉑納米粒子復(fù)合物、納米銀修飾量子點(diǎn)復(fù)合納米顆粒、葡萄糖修飾二硫化鉬納米材料、巰基修飾二硫化鉬(MoS2-SH)、三角形銀納米顆粒等等。

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