电纺丝法制备Pr掺杂BiFeO3中空纳米纤维的甲醛传感器

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文献题目

Pr doped BiFeO3 hollow nanofibers via electrospinning method as a formaldehyde sensor

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文献信息

期刊：Sensors and Actuators B: Chemical

影响因子：IF  9.221

发表日期：2020-01-08

DOI：10.1016/j.snb.2020.127689

单位：Key Laboratory of Atomic and Molecular Physics & Functional Materials of Gansu Province, College of Physics and Electronic Engineering, Northwest Normal University

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文献内容

•Pr doped BiFeO3 hollow nanofibers were synthesized by electrospinning method.

•The conductivity to Pr doped BiFeO3 hollow nanofibers depends on the formaldehyde concentration in air.

•The sensing mechanism of Pr doped BiFeO3 was carefully discussed in detail.

•The influence of humidity on the sensors is large

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结果与讨论

根据Pr掺杂的BiFeO3和纯BiFeO3的XRD图谱可以看出，两个样品的衍射峰均与钙钛矿BiFeO3同相（JCPDS No.71-2494）。由于硝酸镨的成分在实验中较少，掺杂样品的衍射峰没有发现Pr峰。两个样品的主要衍射峰的放大图可以看出：Pr掺杂后，由于Bi3+（0.103 nm）的半径大于Pr3+（0.099 nm），（104）和（110）衍射峰移向更高的角度，一些Pr离子被引入BiFeO3的晶格间隙。该结果证实了掺杂减小了晶粒尺寸并抑制了BiFeO3晶粒的生长。

根据SEM表征结果可知：两个样品的表面都是粗糙的，在细长的管状结构表面上分布有一些微孔。Pr掺杂的BiFeO3纳米纤维在横截面中具有许多中空孔，具有中空结构。Pr掺杂的BiFeO3中空纳米纤维的平均直径为143.3 nm，纯样品为144.8 nm。

Pr掺杂的BiFeO3和纯BiFeO3的N2吸附-解吸测量数据如图所示，氮吸附-解吸等温线属于IV型和H3型磁滞回线，这表明样品是介孔材料。Pr掺杂的BiFeO3的BET比表面积（63.53m2/g）大于纯BiFeO3（58.17m2/g）。根据Brret–Joyner–Halenda（BJH）方法计算了样品的孔径：Pr掺杂的BiFeO3和纯BiFeO3的峰值孔径集中在38.17和30.71 nm。介孔结构和更大的比面积能够促进目标气体的传输和扩散。

样品的气敏测试结果如下：基于Pr掺杂的BiFeO3传感器的最佳工作温度为190℃，较原始BiFeO3传感器的最佳工作温度下降了10℃。如图所示，Pr的存在可以提高传感器的性能，Pr掺杂的BiFeO3比纯BiFeO3对各种气体（甲醛、丙酮、乙醇、乙酸和甲醇）具有更高的响应。其中，基于Pr-BiFeO3传感器在190℃下对50ppm的甲醛表现出了17.6的响应值。在低浓度范围（5–100 ppm）内，响应随甲醛浓度的增加而迅速增加。当甲醛浓度高于500ppm时，传感器的响应显示出较慢的增长趋势。基于Pr-BiFeO3传感器的响应和恢复时间分别为17s和19s，其还具有优异的稳定性和耐久性。

对于Pr掺杂的BiFeO3中空纳米纤维，其优异的气体敏感性可以归因于以下两个方面：首先，Pr通过反应掺入到BiFeO3晶格中，Pr离子以取代形式取代Bi元素。置换的Bi离子存在于晶格间隙中，晶格中未结合的晶格氧从其原始位置逸出并产生氧空位。氧空位具有更高的吸附能，可以吸附更多的氧气和甲醛气体。因此，Pr掺杂的BiFeO3中空纳米纤维具有更高的响应值。其次，根据Knudsen扩散理论，目标气体的扩散速率主要受扩散气体的孔径、分子量和温度的影响。根据BET结果，Pr掺杂和纯BiFeO3的孔径分别为38.17和30.71nm，甲醛气体可以在Pr掺杂传感器中快速扩散。此外，较小的晶粒尺寸和独特的中空结构也可以提供更大的比表面积，并显著改善气敏性能。

转自：“科研一席话”微信公众号

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