ZnO分级微球的制备及气敏性能研究

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研究内容概述

本文报道了利用水热法制备ZnO分级微球，进一步研究了柠檬酸三钠的添加量与ZnO的结构及气敏性能之间的关系，并对其气敏机制进行了讨论。

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图文介绍

结构性能表征

通过扫描电子显微镜对不同柠檬酸三钠添加量的样品表面形貌进行表征。图（a）至图（d）分别为添加了不同量的柠檬酸三钠样品的扫描电镜图。（a）图中样品呈现直径约为数百纳米的棒状结构；(b)图中样品形貌为无规则颗粒状团聚体；(c) 图中样品呈现为颗粒与部分纳米片层组成的微球结构；(d)图中样品呈现出纳米片组装而成的分级微球结构。随着柠檬酸三钠添加量的增加，ZnO生长形貌逐渐由棒状变为分级微球结构。

XRD图谱中，可以发现添加了柠檬酸三钠的样品均在34.4°、36.2°、47.5°、56.5°、62.8°、66.2°以及67.8°有明显的衍射峰，与ZnO的标准卡片（JCPDS No. 36-1451）一致，表明样品由六方相ZnO组成。随着柠檬酸三钠添加量的增加，ZnO的结晶性也随之提高。

将ZnO-0.3g的N2吸附-脱附等温曲线与模型曲线对比，可以发现ZnO-0.3g的N2吸附-脱附等温曲线为Ⅲ型，表明其具有孔隙结构。通过分析孔径分布曲线，发现孔径主要分布在5～35nm的范围内，说明主要为介孔结构，其孔径大小平均值为8.5nm。进一步对比研究发现，ZnO-0g的比表面积为5.3m2/g,而ZnO-0.3g的比表面积为119.2 m2/g，表明与ZnO纳米棒相比，ZnO分级微球的比表面积得到了显著提高。

气敏机理分析

ZnO作为金属氧化物半导体，空气中的氧气分子吸附在其表面，从导带中捕获电子转化为化学吸附氧，形成电子耗尽层，使得倒带下移，费米能级下降，导致材料电阻发生变化。当ZnO接触到被测气体时，气体和氧负离子发生氧化还原反应发生电子转移，氧负离子释放电子变成氧分子从ZnO表面脱附，材料的电阻恢复。与ZnO纳米棒相比，纳米片组装而成的分级微球明显具有更大的比表面积，可以产生更多的活性位点，从而具有更高的响应灵敏度。

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结论

采用水热法制备了纳米片组装而成的ZnO分级微球，并对柠檬酸三钠添加量与ZnO结构和气敏性能之间的关系进行了研究。当柠檬酸三钠添加量为0.3g时，样品为分级微球结构，具有最好的气敏性能。在最佳工作温度180 ℃时对 0.01%正丁醇的响应灵敏度为209.8，且具有较快的响应恢复速度和较好的气体选择性，这主要是由于分级微球结构具有较大的比表面积和更多的活性位点。

转自：“科研一席话”微信公众号

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