《通过微波辅助法合成的花状WO3结构及其气体传感特性讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《通过微波辅助法合成的花状WO3结构及其气体传感特性讲解（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 外文文献及翻译通过微波辅助法合成的WO3结构及其气体传感特性专 业环境工程班 级环工132学 号1311701212学生姓名宋佳玲指导教师岳麓完成日期2017.1.4通过微波辅助法合成的花状WO3结构及其气体传感特性王振宇a，孙鹏a，杨天林a，高原a*，李小伟a，陆格宇a*，杜宇ba吉林大学电子科学与工程学院集成光电子国家重点实验室，前京街2699号，长春130012，中华人民共和国b深圳大学应用物理系，深圳518060，中华人民共和国摘要：通过微波辅助溶剂热法获得的W18 O49纳米线的简单煅烧成功地合成了花状WO3结构。 通过场发射扫描电子显微镜，X射线粉末衍射，透射电子显微镜和氮吸附和
2、解吸附测量来表征所制备的产物。 结果表明，花样结构的结构单元是交联单晶WO3纳米棒，直径约30-40nm，长约300-400nm。 研究了制备的产物对NO2和丙酮的气体传感性能。 发现基于WO3纳米结构的传感器在90的最适温度下表现出优异的选择性和对NO2的高敏感性，给出约42至40ppb NO2的响应。 显着地，在300下操作，传感器的响应和对100ppm丙酮的恢复时间分别仅为1秒和6秒。关键词：花状 WO3结构 NO2传感器 微波辅助溶剂热1.介绍 近年来，使用包括纳米线，纳米带，纳米片，纳米管等的1D和2D纳米尺度构造块组装的复杂的微/纳米结构，特别是三维（3D）分层结构引起了很多关注。
3、与固体结构相比，具有分层结构的功能材料具有一些独特的物理和化学性质。因此，他们将提供更多的机会探索新的性能和优越的器件性能，如催化1，吸附2，分离3，自清洗4等。将功能性纳米结构单元组装成用于纳米晶体的电子和光电子应用的合适的上层结构是前提条件。为此，对复合无机材料的合成进行了大量的研究，并且研究了结构，尺寸，形态和图案如何影响它们的集体光学，磁性和电子性质。为了准备分层架构，已经成功地采用了各种路线来将构建块组装成3D有序超结构5-8。然而，这些方法是耗时的或包括一些添加剂，这可能增加污染或限制潜在的应用。因此，强烈期望开发用于合成3D分级纳米结构的简单，有效和经济的方法。微波辅助水热/溶剂
4、热法是节能，快速，高效，环保等优良特性的最有前途的方法之一。 在过去几年中，使用这种途径已经成功地制备了具有分层结构的各种半导体纳米材料，例如ZnO 9,10，Fe2O3 / Fe3O4 11,12，CuO 13,14 TiO2 15-17和SnO2 18。金属氧化物作为一种重要的功能材料，具有可调性和重要的工艺应用。其中，氧化钨（WO3）是带隙为2.5eV的N型半导体，具有一些独特和有趣的性质，使其可以在许多方面应用，例如气体传感器19，光催化剂20 ，电/气/光致变色器件21，场致发射器件22和太阳能器件23。已经进行了许多努力来合成具有各种纳米结构的氧化钨。为了获得那些所需的结构，涉及许
5、多有效的方法，包括模板指导合成24，基于溶液的方法25和化学气相沉积26和水热反应27。重要的是，Yan et al.已经报道了在二醇溶液中使用F127作为表面活性剂的简易溶剂热方法合成的WO3水合物纳米网状球体28。 Yella等人报道了在柠檬酸和十六烷基胺作为表面活性剂存在下使用溶剂热方法合成的钨 - 氧化物纳米刷29。根据这些报告，表面活性剂在WO3分层结构的合成中起重要作用。到目前为止，制备没有表面活性剂的WO3结构仍是一个挑战。在这里，我们报告花状WO3层次结构的制备通过简单的表面活性剂无微波辅助溶剂热过程，然后煅烧。 为了证明材料的潜在应用，研究了气体感测性质。2.实验WCl6（9
6、9，上海阿拉丁化学试剂公司）和无水乙醇（北京化学试剂公司）未经进一步纯化而直接使用。在典型的过程中，将0.2g WCl6加入到40mL无水乙醇中。剧烈搅拌30分钟后，将均相溶液转移到聚四氟乙烯衬里中，然后放入微波消解系统（Ethos One，Milestone Inc.，Italy），反应在200下进行2小时。通过固有的空气冷却系统冷却至室温后，通过离心分离将产物用去离子水和无水乙醇洗涤数次。然后，收集所制备的产物并在80下干燥10小时。为了获得最终的花状WO3，将沉淀物在500下煅烧2小时。在具有Cu-K1辐射（= 0.15406nm）和扫描速度为12min-1的日本理学 D / 最大250
7、0X射线衍射仪上进行X射线功率衍射（XRD）分析。在以15kV操作的JEOL JSM-7500F显微镜上记录场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像。在具有200kV的加速电压的JEOL JEM-200EX显微镜和JEOL JEM上获得透射电子显微镜（TEM），选择面电子衍射（SAED）和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM） -3010显微镜在200 kV下运行。使用NETZSCH STA 449F3同时热重量分析仪在空气气氛下，在30800的温度范围内以10min-1的加热速率进行热重量（TG）分析和差示扫描量热（DSC）。用布鲁诺尔埃米特-泰勒（BET）法（Gemini VII，Microm
8、eritics Co.Ltd。）表征样品的比表面积和孔径分布。如下制造传感器装置：将适量的所制备的WO3粉末与去离子水混合以获得糊剂，然后将其涂覆在Al2 O3陶瓷管（长4mm，外径1.2mm，厚0.8mm，0.8mm内径，附有一对金电极）。在水银灯下干燥10分钟后，然后将管在500下烧结2小时。为了保持传感器在高温下工作，将Ni-Cr合金线圈作为加热器插入陶瓷管中。使用静态气体感测表征系统测量传感器的气体感测特性，如图1所示：将传感器放入封闭的玻璃室中，并将给定量的测试气体注入室中以测量敏感性能。测量气氛中的相对湿度在30和40之间。传感器的响应分别定义为氧化气体和还原气体的Rg /Ra和R
9、a /Rg，其中Ra和Rg代表空气和目标气体中的传感器的电阻。3.结果与讨论 图2显示了通过微波辅助溶剂热方法制备的前体的X射线衍射（XRD）图和通过煅烧前体获得的产物。 可以看出，在煅烧之前，衍射峰可以被标记为具有单斜结构的标准W18O49，并且与报告的数据良好匹配（空间群：P2/ m，晶格常数a =18.28，b =3.775 ，c = 13.98，beta =115.2，JCPDS：5-392）。图1.传感器测试系统示意图在500煅烧2小时后，根据JCPDS卡号，W18O49前体被彻底转化为纯单斜晶WO3.89-4476，空间群P21/ n和晶格参数a = 7.3271 ，b = 7.5
10、644 ，c = 7.7274 ，beta =90.488.没有观察到其它衍射峰，表明没有杂质存在，并且W18O49完全转变成WO3。 用FESEM，TEM和HRTEM对样品的形态，结构和尺寸进行表征。图3a对应于W18O49前体的SEM图像。可以看出，前体是长度约1m且直径约几十纳米的纳米线。图3b是所合成的WO3样品的典型SEM图像，从其中清楚地观察到直径约300-400nm的多个花状颗粒，并且花状WO3结构的结构单元是许多交叉纳米棒直径30-40nm。虽然可以看到几个纳米棒，但大多数的结果显示出一个花状形态，表明这些花状建筑的高产量。还可以观察到样品是未固结的，且具有良好特性的气体感测性
11、质。图3c中典型TEM图像显示WO3的尺寸和形状与FESEM观察结果的尺寸和形状相当。图3d和e分别是在花状WO3颗粒上的相应的SAED图案和从随机纳米棒拍摄的HRTEM图像。两者都证实构成花状结构的纳米棒是单晶结构。图2.烧结前后样品的X射线衍射图。图3. 合成样品的形态特征：（a）W18 O49的FESEM图像；（b）WO3结构的FESEM图像；（c）花状颗粒的TEM图像；（d）HRTEM和（e）在花状结构上随机选择的纳米棒的SAED图像。从SEM图像我们可以看到，在煅烧后，W18O49纳米线成为花状层次结构，由纳米棒组成。 该方法可以描述如下：当在空气中退火时，在第一阶段，W18O49前
12、体将通过与氧反应并氧化成WO3而被氧化。 该阶段可以描述为以下等式：2W18O49 + 5O2 36WO3其次，获得的WO3将重结晶并开始生长。在这个阶段，为了减少自由能，那些晶粒将重新调整以减少材料中的晶界，因此，交叉纳米线变得更厚和更短，并且具有相同交叉的那些最终生长成WO3花状结构 。所得到的WO3纳米结构的N 2吸附-解吸等温线和相应的BJH孔径分布图（插图）如图4所示。根据IUPAC分类，花状WO3结构显示具有H3型磁滞回线的IV型等温线。这些是中孔材料的典型特征。WO3纳米颗粒的BET表面积和孔体积分别为13.6m2 /g和0.09cm3 /g。 插图揭示了通过Barret-Joy
13、ner-Halenda（BJH）方法得到的相应的孔径分布。 从曲线，我们可以看到，该样品在约11nm和61nm的孔径分布图处具有两个峰，分别显示具有4nm至154nm的宽范围的孔径分布的多孔结构。 图4.氮吸附-解吸等温线和相应的WO3粉末的孔径分布。所得前体的热重量（TG）和差示扫描量热（DSC）曲线显示在图5中。在TG曲线上，在30和200之间的第一重量损失（在120下的吸热DSC峰）为6.5，对应于去除水和那些有机物，例如弱吸附到表面的乙醇 W18O49。 可以看出，TG曲线的斜率在200和500之间变得更小，并且在该范围内的低重量损失（2）可以分配在W18O49氧化期间的重量增加和由有
14、机物引起的同时重量损失去除。 超过500C的重量没有显着变化，这表明W18O49已演变为WO3，这些有机物被彻底清除。在完全氧化后，晶体继续生长并且结晶度提高，这是放热过程（对应于DSC曲线的500-800部分）。图5.所合成的W18O49前体的TG和DSC曲线。 研究了基于所制备的WO3样品的传感器的感测性质。为了确定最佳工作温度，在50到125的不同温度下测量传感器对80ppbNO2的响应，如图6所示。随着操作温度的升高，响应增加，在90下达到最大值190.8，随着操作温度的进一步升高，响应值降低。因此，为了进一步检查传感器的特性，选择90C的最佳工作温度用于NO2检测。当温度从50升高到
15、90时，反应的增加可以粗略地解释为表面反应速率（NO2（g）+ e- NO2（ads）-）的增加，但是当温度进一步升高，响应可能受到低扩散深度的限制并开始减少。在最佳温度（90）下，已经为NO2分子建立了反应和扩散深度之间的最佳平衡30。低温工作特性使传感器显着节能，这是近年来对气体传感器设计的追求。图6.传感器对作为工作温度的函数的80ppbNO2的响应。众所周知，选择性是气体传感器的重要参数之一。为了测试基于所制备的WO3的传感器的选择性，测试了在90的操作温度下传感器对各种测试气体的响应，包括两种氧化气体（NO2，SO2）和四种还原气体（H2S，NH3，丙酮和乙醇）。如图7所示，结果表明，使用花状WO3颗粒的传感器对H2S和SO2的响应比对NO2的响应低得多，尽管它们的浓度高得多。并且传感器对100ppm NH3或1000ppm丙酮和乙醇几乎没有任何响应
