軟模板法制備ZnO 空心微球及其氣敏性質(zhì)研究

◎鐘義濤 聶爽 祁曉靜 于天琦吳志強(qiáng)

一、引言

ZnO 是新型II-VI 族金屬氧化物,來源豐富、價格低廉,具有比II-V 族氮化物及II-VI 硒化物更優(yōu)良的性能，具有很多潛在的優(yōu)點(diǎn)，并且ZnO 是最早被發(fā)現(xiàn)的具有氣敏特性的金屬氧化物之一。 隨著納米技術(shù)的發(fā)展，研究出了各種形態(tài)的Zn0 納/微米結(jié)構(gòu)，與普通ZnO 材料相比，納米ZnO 材料顯示出了更加優(yōu)良的性能，可以用于檢測揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)。當(dāng)前，基于氧化鋅納米材料所制備的氣體傳感器已經(jīng)被用于有毒有害氣體的檢測和空氣質(zhì)量的監(jiān)督，使得氧化鋅氣體傳感器的探究成為納米材料的研究熱點(diǎn)。

二、實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用了水熱法制備了氧化鋅空心微球，首先將3mL 乙二醇EG 和40m 乙醇CH3CH2OH 混合，然后將0.35g 二水乙酸鋅Zn（CH3COO）2·2H2O 加入上述混合物中并攪拌30 分鐘，之后將溶液轉(zhuǎn)移到水熱釜中分別加熱至100℃，150℃和200℃，反應(yīng)12 小時，冷卻至室溫后進(jìn)行離心洗滌，在80℃烘箱中烘干，之后在400℃下熱退火1 小時后獲得所需樣品。將通過水熱法制備的氧化鋅中空微球粉末研磨成漿狀，制備丙酮?dú)怏w傳感器。

三、結(jié)果與討論

圖1 顯示了反應(yīng)溫度分別為100℃（a）、150℃（b）和200℃（c）反應(yīng)時間為12 小時制備的氧化鋅樣品SEM 圖像。從圖中可以看出，在100℃條件下制備的ZnO 納米粒子呈中空球形并由小ZnO 納米晶組成，單分散性較好，尺寸分布均勻，平均粒徑約為280 nm，。當(dāng)反應(yīng)溫度增加至150℃（圖1b），中空微球并未形成，而是由納米顆粒組成的棒狀結(jié)構(gòu)，反應(yīng)溫度繼續(xù)增加至200℃（圖1c），樣品是由微小的納米顆粒組成，聚集比較嚴(yán)重。

圖1 反應(yīng)溫度分別為100℃、150℃和200℃反應(yīng)時間為12 小時制備的氧化鋅樣品SEM 圖像

利用上述條件下獲得的樣品，制備了ZnO 丙酮?dú)怏w傳感器，采用德國Agilent 公司所生產(chǎn)的精密電源雙通道測量單元對氣敏元件進(jìn)行了氣體傳感性能測試，結(jié)果如圖2 所示。圖2是100℃（a）、150℃(b)和200℃(c)制備的ZnO 樣品對5ppm 丙酮?dú)怏w的傳感靈敏度變化曲線。

圖2 100℃（a）、150℃(b)和200℃(c)制備的ZnO 樣品對5ppm 丙酮?dú)怏w的傳感靈敏度變化曲線

比較圖2 中的響應(yīng)曲線，發(fā)現(xiàn)在100℃制備的ZnO 中空微球?qū)Ρ獨(dú)怏w響應(yīng)靈敏，快速響應(yīng)并恢復(fù)性較好，而150℃制備的ZnO 樣品對丙酮的響應(yīng)時間較長，在相同條件下響應(yīng)不穩(wěn)定，而200℃(c)制備的ZnO 樣品對丙酮?dú)怏w的響應(yīng)盡管穩(wěn)定性較好，但是靈敏度較低。這可能是由于ZnO 中空微球裸漏表面較大，比表面積較高，有利于氣體的吸附，對丙酮的響應(yīng)較快。

四、結(jié)論

本文通過水熱法制備了三種不同形貌的ZnO 納米材料，并研究了三種ZnO 納米材料對丙酮?dú)饷粜再|(zhì)，結(jié)果表明具有中空微球結(jié)構(gòu)的ZnO 納米材料展現(xiàn)出對丙酮的響應(yīng)時間快、靈敏度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)異的氣敏性質(zhì)。

特別鳴謝：本文受吉林建筑大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃省級項(xiàng)目《丙酮?dú)怏w傳感器的研制》特別資助。