表面缺陷优化的N掺杂高活性SnO2基CH4气体传感器构建及其气敏增强机制研究

SnO2 highly active face, doping and surface defects have important effects on its gas-sensing properties. While using the synergistic action of highly active {001} face, N doping and optimized surface defects to enhance the gas sensing performance of SnO2 has not been researched, the action mechanism is unclear. This project based on the synthesized SnO2 cube with exposed highly active {001} face, studying the relationship between synthetic process conditions and material microstructure, revealing the growth mechanism of SnO2 cube; producing N doped SnO2 cubes, characterizing and analyzing the surface microcosmic information of the N doped SnO2 cube, building N doped SnO2 model and CH4 adsorption model and analog computing the atomic, electronic microcosmic information in the gas sensing reaction process, and clarifying the action mechanism of N doping; The vacuum heat treatment is adopted to optimize the surface defects of N doped SnO2 cube, characterizing and analyzing the surface defects of the N doped SnO2 cube in the vacuum heat treatment and gas sensing reaction process, illustrating the action mechanism by the surface defects optimization. This project is expected for using SnO2 to detect low concentration of CH4 gas effectively by the synergy action of highly active face, N doping and surface defects optimization, and provide new method and theoretical basis for high performance of SnO2 based gas sensor research and development.

SnO2高活性面、掺杂及表面缺陷对其气敏性能有重要影响，但通过高活性{001}面、N掺杂、表面缺陷优化的协同作用来增强SnO2气敏性能的研究未见报道，其作用机制尚不清楚。本项目在合成暴露高活性{001}面的SnO2立方体基础上，研究合成工艺条件和材料微结构之间的关系，揭示SnO2立方体的生长机理；制备N掺杂SnO2立方体，对其表面微观信息进行表征与分析，建立N掺杂SnO2模型、CH4吸附模型并对气敏反应前后原子、电子等微观信息进行模拟计算，阐明N掺杂增强气敏性能的作用机制；采用真空热处理对N掺杂SnO2立方体的表面缺陷进行优化，对真空热处理、气敏反应前后的表面缺陷进行表征与分析，阐明表面缺陷优化增强气敏性能的作用机制。本项目可望通过高活性{001}面、N掺杂和表面缺陷优化的协同作用实现SnO2对低浓度CH4气体的有效检测，为高性能SnO2基气体传感器的研究与开发提供新方法和理论基础。

二氧化锡（SnO2）是重要的n型金属氧化物半导体，其禁带宽度为3.6 eV，是VOC气体检测领域研究与应用最广泛的材料之一。在实际应用中，普通二氧化锡颗粒存在稳定性差、工作温度高、选择性低下等缺点，因此SnO2传感器的气敏性能需要进一步优化才能实际应用。研究表明，SnO2高活性面、掺杂及构建异质结可以优化其气敏性能，但通过高活性面、掺杂、异质结的协同作用来增强SnO2气敏性能的研究未见报道，其作用机制尚不清楚。在本项目的资助下，通过水热法合成了分层结构的SnO2/g-C3N4复合材料、Ni掺杂SnO2立方体、Bi掺杂SnO2/石墨烯复合材料及新型Fe掺杂ZnSnO3/石墨烯等复合材料，采用XRD, SEM, TEM, BET对制备气敏材料的形貌、结构进行了表征，用FTIR, Raman, XPS, EPR, PL 和UV–vis对气敏材料的表面化学形态、表面缺陷进行了分析，并在此基础上对其气敏机理进行了探究，得到一些有意义的结果：（1）Bi掺杂SnO2/rGO对5ppm苯具有较高的灵敏度(48.6)，较短的响应恢复时间(9s和13s)，良好的稳定性和选择性。气敏性能提高主要由于以下两方面原因：一是Bi掺杂增加了复合材料的比表面积，降低了禁带宽度，并提供了大量的氧空位；二是形成了独特的rGO-SnO2p-n异质结，加快了电子转移速率；（2）掺杂4at%Ni的SnO2气体传感器的最佳工作温度为250℃，对5ppm甲醛的灵敏度为14.2，Ni掺杂促进甲醛分子的扩散和表面气敏反应；（3）SnO2复合g-C3N4产生了异质结，5wt%g-C3N4的SnO2最佳工作温度为270℃，对40ppm乙醇的灵敏度达到77.5，是纯SnO2气体传感器的灵敏度的8.4倍。本项目通过高活性面、掺杂和异质结的协同作用实现SnO2对低浓度VOC气体的有效检测，为高性能SnO2基气体传感器的研究与开发提供新方法和理论基础。