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溶胶-凝胶法合成了的CdO-ZnO纳米复合材料适用于CO气体传感

国际期刊的电化学科学

http://www.doczj.com/doc/eab79abdf121dd36a32d8290.html 溶胶-凝胶法合成了的CdO-ZnO纳米复合材料适用于CO气体传感Hassan Karami *

纳米研究实验室(NRL),化学系、帕亚米奴尔大学(PNU), P. O.

信箱:97,Abhar,伊朗

电子邮件:karami_h@http://www.doczj.com/doc/eab79abdf121dd36a32d8290.html

收稿:2009年12月31日/ 接受:2010年5月15日/ 出版:2010年5月30

_______________________________________________________________________________一种新型的CdO-ZnO纳米复合材料合成了由溶胶凝胶法的基础上裂解聚合物网络的聚乙烯醇(PVA)。被制备的纳米复合材料特征都被精心的利用扫描电镜和x射线能量色散谱分析,电感耦合等离子体原子发射光谱和X-射线衍射分析。研究结果表明,在最佳条件下合成了纳米复合材料,从纳米颗粒创造良好的线性纳米簇。每个纳米晶粒是由一个CdO的核心,完全由氧化锌层覆盖。每个合成纳米复合材料作为传感CO气体剂。研究发现,合成的CdO-ZnO纳米复合材料在2%wtZn(NO3),2%wtCd(NO3),9%wt聚乙烯醇、混在600℃热解温度的50:50的乙醇水溶剂可作为CO气体检测剂在135℃展出的CO 的灵敏度最高。所构造的官能表现出非常低的2 ppm的检测限与2至500 ppm的动态范围。_______________________________________________________________________________ 关键词:纳米复合材料,溶胶凝胶、氧化锌;氧化镉;气体传感器,一氧化碳

1.简介

ZnO纳米颗粒受到人们的重视,因为他们的独特的催化、电气、气体传感、光学性质,和一个大型的60MeV激子结合能。他们良好的电性、光学、生物可降解性、压电行为和其它的优势,例如他们的成本低,在不同领域的广泛应用等优点是这一广泛关注的一些原因。ZnO已证明其多种用途在不同应用领域,包括太阳能电池、光催化、紫外激光、透明导电氧化物、自旋电子学和气体传感器等。

氧化镉(CdO)的是一个众所周知的II -VI族同为2.2eV(520 nm)的直接带隙半导体,开发了不同的应用,例如其使用在太阳能电池、透明电极,光电二极管、及传感器。有许多报道的合成纳米氧化锌通过使用不同的方法,包括通过溶胶凝胶[1],自组装[2],化学浴沉积[3],乳液路线[4],气相运输[ 5],反应溅射[6]和喷雾热解技术[7]。

有几个公布了CdO的纳米粒子制备方法,但这些方法大多只描述的CdO薄膜的形成[8]。有相当一些现有的文献上,作为一个独立的粉末粒子的合成。潘等人报道了几种纳米带的形成在高温下由若干种金属氧化物,其中之一是CdO[9]。彭等人报告了纳米线的CdO 的形成[10]。最近,被Ristic等人[11]描述了利用醋酸镉热处理形成CdO纳米颗粒。

有许多报告ZnO纳米复合材料的合成各种不同化学物质,如Fe 2O 3[12], SnO 2 [13]等。然而,没有报道的合成ZnO-CdO或纳米复合材料复合材料。

几个半导体氧化物如SnO2,ZnO2,In2O3和铟锡氧化物(ITO)被雇为气体传感器,利

用电导率的变化,揭露了这些材料的导电性的变化[14-18]。利用ZnO 在气体传感器的应用有着悠久的历史。主要是ZnO 组成的系统作为化学电阻材料的研究,以检测像H2[19],NH3[20]气体,CH4[21],O2[22],海鲜味(TMA (三甲胺))[23],乙醇[24]和CO[25]。有专家提出,其他形式的ZnO 传感器相比,氧化锌薄膜气体传感器具有更高的灵敏度[26]。一氧化碳(CO )是在空气污染和人类生活中最危险的气体之一。CO 是由不完全燃烧的燃料和常见于汽车尾气的排放,国内燃料燃烧等。有剧毒和极其危险的,因为它是无色,无味。因此,需要CO 传感器在包括阴燃火灾探测的各种情况。纳米结构与纳米线,纳米棒和纳米带的形态多样ZnO 被广泛研究,由于其独特的物理特性,如宽禁带和大激子结合能和在短波长光电器件应用的导电性能,太阳能电池,传感器[26,27]。气体传感器的最新例证基于纳米-氧化锌的进一步刺激很大努力探索ZnO 纳米结构的高灵敏度气体。然而,纳米氧化锌传感器电弧等离子体制备方法没有表现出预期的高灵敏度,即使暴露在CO 在一个像5000 ppm 的高浓度

[27]。中村等[28]和蔡[25]报道了对几百万分之一的CO ,利用CuO-ZnO 异质接触的敏感性,但粒子不是纳米尺寸。关于综合性能特点的ZnO 和CdO ,因此预计的合成ZnO-CdO 复合材料的结果将很有趣。预计综合决策可以影响到CO 气体传感器氧化锌的能力。在这个项目中,我们试图优化ZnO-CdO 纳米簇中形成纳米复合材料的线性合成条件通过聚乙烯醇(PV A )为基础的溶胶凝胶法。CO 气体检测所获得的纳米复合材料的性能进行了研究。

2. 实验部分

2.1 材料

所有材料均在分析品位及从默克公司、瑞士佛鲁卡(fluka )公司或珞巴族化学公司(印度)购买。双蒸水被用在所有的实验。

2.2 仪器

对CdO-ZnO 纳米复合材料样品的形貌进行了研究和颗粒直径由飞利浦电子扫描显微镜(XL30模型)。由来自飞利浦公司(X Per )使用Cu (Kα)辐射X 射线衍射仪和石墨单色器对粉末样品进行了分析。能量色散X 射线分析(EDX )进行了飞利浦30加大码。X 射线衍射仪(XRD )的研究进行了由德克尔D8的工具。一个ICP- AE 的光谱仪(瓦里安Vista 的专业版,CCD 的同时,斯普林韦尔,澳大利亚)用于纳米复合材料样品的锌,镉含量的测定。气体传感试验在孤立的盒子中(50cm×40cm×70cm)。

2.3 程序

2.3.1 合成

在这项工作中,88g 乙醇混合水克(50:50)溶剂是用来溶解2g 硝酸锌,2g 硝酸镉和8g 聚乙烯醇。将混合物加热到80℃,形成均匀的溶胶的解决方案。所得到的溶胶缓慢加热蒸发溶剂,形成坚硬的同质凝胶。在最后进行热解凝胶在600 ℃的温度为8小时。在

热解过程中,聚乙烯醇聚合物网络缓慢燃烧,通过外表面,锌,镉,同步焙烧硝酸盐,进入CdO-CdO 纳米复合材料转换。所获得的样品准备粉碎细粉末。对样品的形貌和颗粒大小进行分析的扫描电镜,透射电镜,X 射线衍射和能谱分析 。由优化的热解温度“一次法“对由32()Zn NO ,32()Cd NO 和聚乙烯醇组成混合溶剂进行含量分析。响应斜率和动态范围分别作为主要优化参数。用ICP- AES 法对样品的锌,镉含量进行了分析。

2.3.2 传感器的结构和试验

在这项研究中,高抗聚丙烯酰胺基板(4cm ×4cm × 0.2cm ),与叉指被作为传感装置使用铜电极的准备。图1显示了传感器的配置。

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图1 传感器的使用方案的装置 1g 纳米复合材料的混合物在10 mL 丙酮中搅拌,采用超声分散方法,给它一个半透明的解决方案。作为传感层均匀的混合物,然后丝网印在其表面和120℃的烤箱干燥三小时。银浆是用来修复两个接触线。纳米复合薄膜的厚度进行测量,为100μm 传感器测试,传感器芯片(图1)插入到隔离箱,由氮气填充。该传感器芯片在温度为135℃的调整和一个60V 稳压电源是由仪器应用到传感器芯片的两个输出线。最后,不同数量的CO 气体注射入箱。盒子内部的环境散发了一个小风扇,使气体均匀。稳定后,由一个高灵敏度检流计分析传感器电路电流。所确定的电流与传感器的电阻有关。该传感器的电阻与盒中CO 浓度相关。 3 结果和讨论

3.1 综合优化

在该方法中,刚性的凝胶网络的控制合成样品,使一个统一的纳米CdO-ZnO 复合材料形貌和粒径。在凝胶结构,镉,锌盐类均匀分散在聚合物网络。由于凝胶的网络结构刚性,分散在凝胶网络离子不能改变他们的位置。因此,在热解的凝胶的外层,锌和镉离子相互结合,创造出32()Cd NO 和32()Zn NO 的复盐,其中还反应产生CdO-ZnO 纳米复合材料。化学公式如下:

32322().().4Heat

Cd NO Zn NO CdO ZnO NO +→

在此方法中,Zn(NO3)2,Cd(NO3)2和聚乙烯醇组成的混合溶剂并有明显影响热解温度的组成,形貌和粒子样本大小。对这些影响的程度进行优化“一次”的方法。在合成条件的优化过程的第一步,热解温度变化范围为400℃至850℃。用扫描电镜和能谱仪器对合成的样品进行了研究。结果表明,热解温度在超过550℃下使用,不仅没有的成分,形态,或粒径相当大的影响,而且还造成了热分解时间较长(超过12小时)。另一方面,在更高的温度超过600℃使用造成结块的结构和大颗粒的形成。这导致了一个600℃的热解温度为未来研究的最佳温度的选择。如需确认,每个样品被用作一氧化碳气体检测剂。所得结果对传感器的研究表明:样品在600℃热解温度宽动态范围和高响应斜率合成。表1显示了合成工艺条件

的优化设置和能谱仪结果。

表1.实验条件下合成的样品和每个样品的能谱分析结果

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实验1至9用来优化镉和锌硝酸盐在最初的溶胶的重量百分比。实验10至17是一个量的聚乙烯醇优化设置。在实验的最后一组,即18至22,进行优化组合的混合溶剂。每个合成样品,研究了扫描电镜和能谱仪。实验进行优化设置,以取得该CdO-ZnO 纳米结构复合材料的统一,并响应高边坡,宽动态范围,构建的传感器。结果表明通过改变中提到的每个参数表1、形貌、颗粒大小、组成的合成样品和传感器能力改变。合成的最佳工艺条件CdO-ZnO 的均匀的纳米复合材料的高响应斜率和宽动态范围的传感器组合,包括2%wt 的32()Zn NO 的,2%wt 的32()Cd NO ,9%wt 的聚乙烯醇和50:50乙醇混合水溶剂。图2显示了能谱分析和它在最佳条件下合成了两个样品扫描电镜图像放大倍率15000(图2b )和30000(图2c )。由于它被认为是在图2,样品的最佳线性群中的一个形状完美统一的纳米结构。每个线性纳米团簇已经形成了从几个均匀的球形颗粒(种子)的直径在70至90纳米。

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图2。能谱分析和扫描电镜图像在最佳条件下合成的样品包括2%wt 的32()Zn NO 的,2%wt 的32()Cd NO ,9%wt 的聚乙烯醇和50:50乙醇混合水溶剂和热解温度600℃;能谱分析(a ),扫描电镜图像15000倍数(图2b)和放大30000倍数(图2c)。

在能谱仪分析结果表明,在表1中提到的主要实验(如:最优合成,图2a ),在该复合材料的表面层的CdO 含量是微不足道的。应该一提的是能谱方法只分析了粒子的表面,因此,每个纳米珠(线性纳米晶体粒); 氧化镉的形式,然后由核心和ZnO 覆盖。其中一些样品的X 射线衍射分析结果证实了其能谱分析结果。如果这个假设是正确的,不仅会大量样品分析使用等离子体原子发射光谱法(ICP- AES 法)表明,在纳米复合材料的镉量是不容忽视,但同时,镉/锌重量比将用什么样的初始溶胶相同。为了探讨这一假设,一些表明能谱分析中的CdO 量微不足道样品进行了用ICP- AES 法分析。在ICP- AES 法结果表明,样品的镉,锌含量分别为他们最初在溶胶浓度相同。假说的氧化锌种子覆盖了氧化镉因此证实。图3显示了CdO-ZnO 纳米结构的建议。

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图3.计划为CdO-ZnO纳米复合材料结构的建议

3.2 CO气体传感器的优化

经过对CdO-ZnO纳米复合材料的合成反应条件,以获得高边坡,宽动态范围和均一的形态优化,传感条件都是一模一样的影响。对于这个建议的丝网印刷层厚度,烧结温度,传感温度和工作电压进行优化“一次法“。

表2总结了一套优化的实验数据。根据表2,传感器是改善时,丝网印刷层的厚度从10上升到100μ性能。这一结果是由于基板完成覆盖。在较高的厚度,薄膜电阻会增加。

对烧结温度,纳米粒子之间的关联效应,是不是在较低温度下完成,使传感器的能力低。温度传感器的性能在降低高于120℃的其结果可能与减少对薄膜的孔隙率。

表2 检测的CO优化实验数据

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表2显示,135℃是检测温度的最佳值。传感器的灵敏度强烈依赖于温度,因为CO的吸附/解吸动力学的温度升高。在较高的温度超过135℃,CO吸附降低。工作电压是与传感器的灵敏度。工作电压增加的原因,以增加电路的电流。该电路电流直接关系到传感器的响应斜率。在这种类型的传感器,高边坡,使检出限低。

总之,传感的CO,薄膜厚度100μ,烧结温度120℃,检测温度135℃,工作电压50 V 的最佳值,以获得较低的检测限、宽动态范围和高响应斜率。

3.3 传感器规格

图4显示的CO浓度传感器的响应效果。由于从图中可以看出。4,构建传感器具有较宽的动态范围(2-500百万分之一),检出限低(2 ppm)和高灵敏度(0.1 Ohm.ppm- 1)。

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图4.响应曲线的建议传感器与不同浓度的CO插入线性校正曲线

图5显示了建议的传感器响应时间曲线。因为它是在明显的在图5,在主要的浓度,响应时间低于50秒得到的结果表明传感器能够探测到流动系统的一氧化碳气体。

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图5 传感器的响应时间不同CO浓度

选择性是所有气体传感系统的重要参数。传感器的选择性研究了空气的一些气体分子。图6显示了一些干扰的CO气体分子传感器的响应效果。由于从图6中可以看出,建议传感器是一种选择性的传感器在干燥的气氛。湿度对CO传感器相当干扰,因此,该传感器可作为清洁空气湿度传感(不含CO或CO的低浓度)设备使用。

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图6 对一些干扰气体一氧化碳传感器的影响

比较的CO气体传感器的传感装置的建议与以前的报告显示,该传感器具有更高的效率[13,19,23,25,28]。得到的结果表明,复合材料制造与使用兴奋剂的原因及其他修改传感器的性能比较明显改善。

4 结论

聚乙烯醇基溶胶凝胶热分解法可作为一种有用的方法来合成CdO-ZnO纳米复合材料。这种方法综合了一个球形纳米颗粒(纳米种子),每个纳米晶的直径变化从70到90纳米的数量直线连线组成的最佳纳米簇。优化后的复合材料具有良好的CO气体的探测能力。

鸣谢

我们非常感谢阿卜哈尔帕亚米奴尔(Abhar Payame Noor )大学研究会在这些研究实验的支持。

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