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Ce掺杂通过调整氧种类比例,提高了ZnO气体传感器的传感性能

  通过简单的室温沉淀法,成功地合成了花状的Ce(0.2、0.5、1.2和2%)掺杂ZnO。将其作为气体传感材料,系统地研究了它们的传感性能。结果表明,Ce掺杂可以提高ZnO传感器的性能。在300℃的操作温度下,掺有0.5%Ce的ZnO,对乙醇的响应是最高的,响应值约为72.6100ppm。采用Ce掺杂,明显提高了氧空位和化学吸附氧种类的比例,大大提高了表面电阻式金属氧化物半导体的气体传感性能。因此,与Ce掺杂ZnO应该是设计和制造高性能气体传感器的一种很有前景的方法。

  ZnO是一种重要的N型氧化物半导体,拥有优异的光电特性,在锂离子电池、太阳能电池、气体传感器等领域具有广阔的应用前景。作为气体传感器,由于具有很好的热/化学稳定性,低成本,高导电性,ZnO已被深入研究。研究显示,纳米材料的气体传感性能很大程度上由形态和结构决定。目前为止,不同结构的纳米ZnO已被成功制备,如纳米棒,纳米锥,纳米片,纳米条带,中空球等。但是,单纯的金属半导体氧化物气体传感性能较差,与不同物质的掺杂是一种有效提高气体传感性能的途径。在众多可供选择的掺杂材料中,CeO2具有特殊的特性,如,较好的氧储存能力,较高的氧化还原活性,高离子输运特性。尤其是铈离子价态的变化(Ce4+向Ce3+转变)总会伴随着氧空位或缺陷的变化。众所周知,氧吸附和氧空位在金属半导体材料气体传感性能中扮演着重要角色,所以增加氧空位和增强氧种类化学吸附能力是提高材料气体传感性能的重要途径。Ce-O化学键特性优于Zn-O键,所以可以用来匹配ZnO材料中氧种类的比例。

  

  图1。(a)全角度的XRD图(b)(101)纯ZnO和具有不同Ce掺杂量的Ce/ZnO峰放大的XRD图。

  

  图2。(a)ZnO与Ce 3+替换(b)Ce 4+替换的晶格点阵。

  

  图3。(a)纯ZnO,(b)0.2%(c)0.5%,(d)1.2%和(e)2%Ce掺杂的ZnO材料的SEM。

  

  图4。(a)TEM图像,(b)HRTEM图像,(c-e)0.5%Ce/ZnO花状结构元素分布图。

  

  图5。(a)基于纯ZnO和不同Ce掺杂量的Ce/ZnO材料的传感器响应曲线,(b)不同操作温度时的响应曲线(c)对100 ppm乙醇动态响应曲线(d)基于纯ZnO和0.5% Ce/ZnO材料的传感器对不同浓度乙醇的动态响应曲线。

  

  图6。(a)基于纯ZnO和0.5% Ce/ZnO材料的传感器对100ppm乙醇响应的三个循环(b)对100ppm不同气体的响应曲线。

  

  图7。O 1s光谱(a)纯ZnO(b)0.2(c)0.5%(d)1.2%(e)2% Ce /ZnO。

  

  图8。Ce 3d图谱(a)0.2%(b)0.5%(c)1.2%(d)2%Ce掺杂ZnO材料。

  总的来说,使用室温沉淀法成功合成了花状结构的ZnO和不同Ce掺杂量(0.2,0.5,1.2,2%)的Ce/ZnO。经过系统的对比分析可以得出结论: Ce掺杂通过调整氧种类的比例,提高了ZnO气体传感器的传感性能。300℃操作温度下,0.5%Ce掺杂对乙醇具有最高的响应。相比于纯的ZnO,0.5%Ce/ZnO的氧空位比例和化学吸附氧种类显著增加,因此Ce掺杂花状ZnO具有广泛应用前景。

  文献来源:Sensors& Actuators: B. Chemical 273 (2018) 991–998

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