用于氨选择性检测的氧化锌负载纤维素碳气体传感器

文献题目

Zinc Oxide-Loaded Cellulose-Based Carbon Gas Sensor for Selective Detection of Ammonia

作者信息

Hao Xu, Zhu-Xiang Gong, Li-Zhu Huo, Chao-Fei Guo, Xue-Juan Yang, Yu-Xuan Wang * and Xi-Ping Luo *

Zhejiang Provincial Key Laboratory of Chemical Utilization of Forestry Biomass, College of Chemistry and Materials Engineering, Zhejiang A&F University, Hangzhou 311300, China;

文献信息

期刊：nanomaterials

日期: 2023-12-15

IF：4.324

DOI：10.3390/nano13243151

文献内容

采用简单共沉淀法和高温碳化法制备了ZnO/纤维素基碳（CBC）异质结。作为一种新型的氨传感器，制备的ZnO/ CBC传感器可以在室温下检测到以往纯ZnO氨传感器无法检测到的氨。它对200 ppm的氨浓度有很好的气敏响应、稳定性和选择性。为生物质碳-金属氧化物复合材料的设计与合成提供了新的思路。

结果与讨论

不同ZnO前驱体含量的ZnO/CBC和CBC的XRD谱图如图所示。ZnO/CBC在31.8°、34.4°、36.3°、47.5°、56.6°、62.9°、66.4°、67.9°、69.1°、72.6°和77.0°的衍射峰分别位于(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)、(200)、(112)、(201)、(004)和(202)晶面上。最强峰出现在(101)晶面上。所有的衍射峰都符合标准的六方纤锌矿结构(JCPDS-99-0111)。没有观察到其他相或杂质的衍射峰。这些结果表明，通过沉淀形成了纯净的ZnO结构。由于制备了无定形碳，其结晶度较低，在22°和42°附近出现了低信号强度的宽峰。衍射峰强度弱于ZnO，但这在ZnO/CB的XRD图中没有表现出来。

不同ZnO前驱体含量的ZnO/CBC和纯碳的SEM图像如下。从图b-e可以看出，ZnO已经成功加载到CBC上。前驱体含量较小时，ZnO呈花状结构。随着ZnO前驱体含量的增加，ZnO逐渐变为棒状结构;同时，纵横比变大。由于氨溶液的增加，促进了氧化。从图a可以看出，CBC经过高温碳化后，表面比较光滑。然而，加载ZnO后，CBC表面变得粗糙。

ZnO/CBC-60%结构的TEM表征如图a、b所示， CBC和ZnO的边界处存在不同的点阵条纹。在0.136 nm和0.282 nm附近的晶格条纹分别对应ZnO的(201)和(100)晶面。在0.202 nm和0.350 nm附近的晶格条纹分别对应于石墨的(101)和(002)晶面。ZnO和CBC的晶格条纹交织在一起，证实了ZnO和CBC之间存在异质结。

CBC和ZnO/CBC的电阻在氨环境中逐渐增大，在空气环境中逐渐减小，表现出p型半导体行为。微晶纤维素经高温碳化后，CBC为p型半导体，对氨感测有很好的效果。ZnO与CBC复合后形成p-n异质结，其中CBC起主导作用。图a为将ZnO/CBC-60%传感器置于甲醇、异丙醇、乙醇和甲醛浓度为200 ppm的室温环境中，测试传感器对这些气体的气敏性能，验证传感器对氨的选择性。图b可以看出，该传感器对氨气的气敏响应是其他气体的几十倍，说明制备的ZnO/CBC-60%传感器对氨气有很好的选择性。这是由于ZnO和CBC之间形成的p-n异质结构为氨分子的选择性吸附提供了更多的活性位点。良好的选择性提高了ZnO/CB-60%传感器的抗干扰能力，使其能够在多种气体存在的环境中准确快速地检测氨浓度。

将ZnO/CBC-60%传感器置于25 ppm、50 ppm、100 ppm、150 ppm、200 ppm五种浓度的常温氨环境中进行气敏测试。在室温下，传感器对浓度为25 - 200ppm的氨气的气敏响应如图a所示。随着氨浓度的增加，传感器的气敏响应增加。ZnO/CBC-60%传感器放置在200 ppm的氨环境中进行五轮气敏测试，测试了传感器的稳定性。如图b所示，经过5个传感周期后，ZnO/CBC-60%传感器的气敏性能没有减弱，说明该传感器具有良好的重复性。ZnO/CBC-60%传感器置于200 ppm的氨浓度环境中一周，传感器对氨气的气敏响应变化不大，说明传感器对氨气的响应变化不大，传感器稳定性较好。

不用原位DRIFT对材料进行了分析，证明ZnO/CBC-60%的气敏响应是与NH3分子反应的结果， 如图a所示，引入NH3和N2混合气体后，可以观察到Lewis位点对应的配位NH3种的吸附峰出现在929、964、1619和3334 cm−1附近，并且随着吸附时间的增加，这些吸附峰逐渐变强。从图b可以看出，N2吹扫后峰值明显减弱。这些现象表明，氨的吸附和解吸发生在ZnO/CBC-60%表面，这解释了ZnO/CBC-60%对氨的气敏响应。

转自：“科研一席话”微信公众号

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