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基于Co3O4修饰多孔TiO2纳米纤维的高选择性丙酮传感器及其性能评估

学术动态    2022-07-08 15:57

DOI: 10.1016/j.jallcom.2022.165875

 

在本研究中,通过简单的静电纺丝和水热工艺合成了Co3O4修饰多孔TiO2纳米纤维,并对其进行了表征。形态学表征证实纳米纤维直径为250-300nm。它由亚晶粒组成,其表面修饰有直径为30-50nm的Co3O4纳米粒子。该纳米纤维具有多孔结构,有利于丙酮气体的吸附。将合成的Co3O4修饰多孔TiO2纳米纤维用作传感材料以制备丙酮气体传感器。在不同操作温度和丙酮气体浓度下,系统分析了它们的响应和恢复时间。在250℃的优化温度下,对于100ppm丙酮气体,纳米纤维基气体传感器的气体响应、响应时间和恢复时间分别为71.88、122秒和351秒。因此,Co3O4修饰多孔TiO2纳米纤维有望成为制备高选择性丙酮气体传感器的候选材料。

 

图1.(a)通过静电纺丝合成PVP纳米纤维,(b)煅烧以及(c)通过水热工艺修饰Co3O4纳米颗粒的示意图。

 

图2.PVP((a)和(b))、纯TiO2((c)和(d))和Co3O4纳米颗粒修饰TiO2纳米纤维的低((a)、(c)、(e)、(g)和(i))和高((b)、(d)、(f)、(h)和(j))倍放大SEM图像,水热修饰时间分别为60分钟((e)和(f))、180分钟((g)和(h))和300分钟((i)和(j))。

 

图3.纯TiO2(S0)以及经60min(S1)、180min(S2)和300min(S3)水热修饰后的Co3O4纳米颗粒修饰TiO2纳米纤维的XRD图谱。

 

图4.(a)Co3O4-TiO2(S2)纳米纤维的低倍放大TEM图像,(b)TiO2和Co3O4纳米颗粒的高分辨率TEM图像,(c)相应的SAED图谱,(d)Co3O4-TiO2纳米纤维的STEM图像及其EDS元素分布图,用于分析(e)氧、(f)钛和(g)钴元素。

 

图5.(a)纯TiO2(S0)纳米纤维和Co3O4-TiO2纳米纤维(S1、S2和S3)的XPS全扫描曲线以及(b)Ti2p和(c)Co2p的相应高分辨率XPS光谱。

 

图6.S0、S1、S2和S3中O1s的高分辨率XPS光谱以及Olattice、Oads和Ovac组分的百分比。

 

图7.Co3O4-TiO2(S2)纳米纤维的拉曼光谱。

 

图8.(a)纯TiO2(S0)以及水热修饰时间为(b)60min(S1)、(c)180min(S2)和300min(S3)的Co3O4纳米粒子修饰TiO2纳米纤维的气敏响应曲线随操作温度和丙酮气体浓度的变化。(e)对100ppm丙酮气体的传感响应与操作温度的函数关系。

 

图9.(a)250℃下传感器的丙酮传感响应与丙酮浓度的函数关系,以及(b)基于瞬态曲线的响应和(c)恢复时间与丙酮浓度的函数关系。

 

图10.250℃下(a)纯TiO2(S0)以及水热修饰时间为(b)60分钟(S1)、(c)180分钟(S2)和(d)300分钟(S3)的Co3O4纳米颗粒修饰TiO2纳米纤维对100ppm丙酮气体的动态响应与RH的函数关系。

 

图11.(a)纯TiO2(S0)以及水热修饰时间为(b)60分钟(S1)、(c)180分钟(S2))和(d)300分钟(S3)的Co3O4纳米颗粒修饰TiO2纳米纤维对不同气体(丙酮、乙醇、甲苯、苯和对二甲苯)的传感响应。

 

图12.(a)纯TiO2纳米纤维和(b)Co3O4纳米颗粒修饰TiO2纳米纤维暴露于气体时的电性结构示意图。

 

图13.n型TiO2/p型Co3O4异质结构暴露于气体时的电能带图。

 

图14.具有迁移势垒的多孔纳米纤维暴露于气体时的能带图。