ZnSn(OH)6微/纳米结构及Zn2SnO4复合材料的制备及气敏特性研究

In this project, ZnSn(OH)6 micro/nanostructures and Zn2SnO4 composites are designed as gas sensor material to explore novel high-performance gas sensing materials. ZnSn(OH)6 micro/nanospheres are fabricated with water-soluble biopolymer sodium alginate as crystal growth modifier under hydrothermal conditions. Meanwhile, two rare earth elements are co-doped in ZnSn(OH)6 micro/nanospheres to reveal the relationship between doped (different elements/ content/ ratio) and gas sensing performance. Since, preparing composites material is another strategy to improve gas sensing properties. Thus, based on the hydrothermal process we mention above, the pure ZnSn(OH)6 micro/nanospheres will be annealed to obtain Zn2SnO4 composites. By analyzing the relationship between morphology and anneal, the optimal anneal temperature and anneal time will be determined. Then, the sensing performance will also be studied to explore the gas sensing mechanism. In this project, ZnSn(OH)6 is the basic material, through two rare earth elements co-doped and preparing composites to enhance gas sensing performance, and provide the new research results for superior sensing materials.

本项目将ZnSn(OH)6微/纳米结构设计为气敏传感器，旨在探索将ZnSn(OH)6做为高性能新型气敏材料的可能性。采用水热法以海藻酸钠为模板，合成比表面积大，且易渗透的ZnSn(OH)6微/纳米球。同时，将两种稀土元素共掺入ZnSn(OH)6微/纳米球，研究不同元素、不同量掺杂对气敏性能的影响，从而揭示掺杂与气敏特性之间的关联。制备复合材料也是提高气敏性能的一种途径，因此，基于本项目中的第一步水热法，通过对纯的ZnSn(OH)6微/纳米球进行退火得到Zn2SnO4复合材料, 并研究形貌与退火的关系，从而确定最佳的退火温度和时间, 测试其气敏性能并解释气敏机理。在本项目中，以ZnSn(OH)6做为研究基础材料，通过双稀土元素掺杂及制备复合物来提高气敏性能，探索提高ZnSn(OH)6基材料气敏性能的可能途径，为新型高性能气敏材料提供新的实验结果。

以一元金属氧化物如 ZnO、SnO2 等作为半导体气敏材料在过去几十年间, 使气敏传 感器得到了飞速的发展，但目前仍存在选择性差、工作温度高、不能对低浓度的待测气体在短时间内响应恢复等缺陷。为了拓宽气敏材料的研究领域，本项目以复合金属氧化物 ZnSnO3 复合金属羟基化合物 ZnSn(OH)6 金属硫化物ZnS等为研究主材料，并采用制备中空多孔结构、掺杂、贵金属修饰及构筑异质结等方式对材料的形貌、比表面积、晶粒尺寸、材料导电性能进行改性，实现气敏性能的提高。.以生物高分子海藻酸钠为模板，利用水热法制备出Pr/Ce共掺ZnSn(OH)6中空微球。 在 240℃的工作温度下对50 ppm乙醇的响应可以达到21.43，同时具有超快的响应恢复时间（ 1/7 s ），与同批制备的纯ZnSn(OH)6中空微球、Pr掺杂ZnSn(OH)6中空微球及Ce掺杂ZnSn(OH)6中空微球的性能相比有了极大的改善，其原因主要归因于Pr/Ce两种稀土元素共同掺杂所带来的晶粒尺寸减小、禁带宽度变窄以及载流子浓度增加，同时中空球形结构也是不可忽略的重要原因。.采用水热法制备出了Y掺杂的Zn2SnO4/ SnO2微立方体，通过对比纯的样品我们发现，Y掺杂的样品对100 ppm的甲醛响有更高的响应(46.07)和更低的工作温度(210 °C)，响应恢复时间为21/17 s。其气敏性能的提升主要归结于Y离子掺杂提供了更多的氧吸附位点和窄化了带隙值。此外，Zn2SnO4和SnO2之间存在的异质结作用也是气敏性能提高的主要原因。.本项目我们通过系统的研究异质结对材料气敏性能提高所发挥的作用，为今后ZnSn类化合物应用于气敏材料提供实验基础。