WO_3掺杂NiO的气敏性能研究

中图分类号: TP212. 2
文献标识码: A
文章编号: 1000- 9787( 2008) 01- 0058- 03
Study on gas sensitivity of N iO doped w ith WO*3
ZHAO X iao hua, AN Na, LOU X iang dong, WANG X iao b ing, CHU W en fe,i PENG Chuan yun
中的灵敏度 )。由图 3 ( a )知, 元 件在 350 的 工作 温度下 对 C l2 最 灵 敏, 对其 他 气 体 ( 如, H2 S, HCHO, C2H5OH, 汽 油、煤气 ) 的选择性 系数 分别 为 9, 15, 1. 6, 24. 7, 23。由图 3( b) 知, 在 200 下 对 H 2 S 最 灵 敏, 对 其 他 气 体 ( 如, C2H 5OH, HCHO, C l2, 汽 油、煤气 )的 选择 性系 数 分别 为 7, 15, 21, 29, 30。综合分 析该元 件在 不同温 度下 可以 分别检 测 C l2 和 H 2 S气体, 其中 , 在测定 H2 S气体时对其他气体的 抗干扰能力更强。
按照物质的量之比为 1! 2称取 N i( NO 3 ) 2 和 N aOH 在 水热釜中控温 180 下反应 10 h, 冷却至室 温, 抽滤 洗涤后 在 300 下煅烧 2 h, 得 N iO 粉体。
将钨酸铵与浓盐酸反 应生成 黄色的 钨酸沉 淀, 洗涤干 燥后于 600 下煅烧 2 h得到所需要的 W O3。
sensitiv ity o fWO3 doped N iO sensor is h igher than pure N iO sensor and the sensitiv ity of 6% qua lity fraction W O3 doped N iO is best, wh ich highest sensitiv ity to C l2 is 37. 5 at 350 , wh ile its sens itiv ity to H2 S is 30. 4 at 200 . So the sensor has se lectiv ity to d iffe rent g ases at different temperature. A lso the sensor has sooner response and recove ry to H2 S. K ey w ords: N iO; W O3; doping; gas sensitiv ity
将 WO 3 按质量分数分别为 0, 2% , 4% , 6% , 8% , 10% 与 N iO 粉末均匀混合, 充分研磨后, 于马弗炉中 600 灼烧 2 h即得不同程度的掺杂样品。用 XRD 测试分析各 样品的 晶形 结构。 1. 2 元件的制备与气敏性能测试
分别取适量 N iO 粉末和 W O3 掺杂的 N iO 粉 体, 用甲基 纤维素的松油 醇饱和溶液调匀, 研磨制成合适浆料, 将适量 浆料 均匀涂覆在 A l2O3 陶瓷管 表面, 干 燥后 于 600 下煅 烧 2 h, 制成烧结型旁热式气敏元 件。在 320 下通电 加热 10 d进行老 化。
图 1 不同掺杂量的 W O3 N iO 粉体 XRD 图谱
Fig 1 XRD of N iO doped w ith differentWO 3
2. 2 WO3 掺杂量的不同对各气体灵敏度的影响 图 2给出了不同 W O3 掺 杂物 在不同 工作 温度 下对体
积分数为 30 # 10- 6的 C l2, H2 S, C2H5 OH, H CHO 气体 的灵 敏度。从图中可以看出: W O3 的掺杂 明显提高 了 N iO 的灵 敏度。
采用静态 配气法进行气敏性能测试。传感器的灵敏度 定义 式为 S = Rg /R a (对 氧化 性气体 )或 S = R a /R g (对 还原 性 气体 ), Rg 为 气敏元 件在 气氛 中的电 阻值, Ra 为气 敏元 件在 空气中的电阻值。 2 结果与讨论 2. 1 材料的 XRD 分析
图 1是 纯 N iO 和掺 杂有 W O3 的 N iO 的 XRD 叠 加图 谱, 与标准图谱对照可知, 纯 N iO 和掺杂有质量分数为 2% ,
收稿日期: 2007- 07 - 25 * 基金项目: 河南省科技攻关计划资助项目 ( 0524250038)
第 1期
赵晓华, 等: W O3 掺杂 N iO 的气敏性能研 究
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传感器与微系统 ( T ransducer andM icro system T echno log ies)
2008年 第 27卷 第 1期
WO3 掺杂 N iO 的气敏性能研究*
赵晓华, 安 娜, 娄向东, 王晓兵, 楚文飞, 彭传云
(河南师范大学 化学 与环境科学学院, 河南 新乡 453007)
图 2 气敏元件对 30 # 10- 6不同气体的灵敏度 随工作温度变化曲线
F ig 2 Sensitiv ity to 30 # 10- 6 different gases of
sensors a s function of w orking tem perature 加, 元件的气敏性能 也在 逐渐 增加, 6% 时 效果 最好, 但之 后随着掺杂量 的增加元件的气敏性能又在逐渐下降。这与 前面 XRD 分析结 果一致, 2% , 4% , 6% 的 WO 3 掺杂 没有 破坏 N iO 的晶格结构, 同时, 6% 的 W O3 掺杂又较好地抑制 了 N iO 粒子的成长, 使其颗粒 粒径减 小, 比表面 积增大, 因 此, 6% 掺杂的 N iO 元件气敏性能更 好。虽然 8% , 10% 的 掺杂 也抑制 了 N iO 颗 粒的 生 长, 但 在一 定 程 度 上破 坏 了 N iO 的原有晶格结构, 从而降低了材料的 气敏性能。所 以, 以下 主要以 6% 的掺杂物为研究对象。
图 2( a)是不 同掺杂物对 30 # 10- 6的 C l2 的工作温度 灵敏度曲线, 从图中可以看 出: 各元件在 350 的 工作温度 下对 C l2 表现出较高的灵敏度。 其中, 当 W O3 质量 分数为 6% 时, 元件出现最 高灵 敏度为 37. 5。而 其他 温度 下各元 件对 C l2 的灵敏度都在 10以下。图 2( b)是 不同掺 杂物对 30 # 10- 6的 C2H5OH 的工作温度 灵敏度 曲线, 从 图中可以 看出: 各元件在 250 和 350 均可出现较高灵敏度, 其中, 均以 W O3 质量分数为 6% 时的灵敏度最高。在 250 灵敏 度为 16, 在 350 灵敏度为 22. 3。图 2( c)是不同掺杂物对 30 # 10- 6的 H2 S的工作 温度 灵 敏度 曲线, 由图 中可知 , 掺 杂量为 6% 的元件对 H2 S表现出 了高灵敏 度 30. 4, 而最佳 工作温度 出现 在 200 , 较 C l2, C2H5 OH 的最 佳工作 温度 都低。图 2( d) 是不同掺杂物对 30 # 10- 6的 HCHO 的工作
温度 灵敏度曲线, 不 同工 作温 度 下各 元件 对 H CHO 的灵 敏度均较低。 6% 的 W O3 掺 杂后, 在 250 出 现最 高灵敏 度不过 2. 4, 与纯的 N iO 相比灵敏度没有明显的提高。
综合分析可知, 不同 WO 3 掺杂量的 N iO 基气敏元件的 性能也不同, 2% 掺杂时的气敏 性能最 弱, 随 着掺杂 量的增
2. 3 6% WO3 掺杂的 N iO 对气体的选择性 图 3是掺杂了 6% W O3 粉体的元件在不同温度下对不
同气 体灵敏度 的 测试 图。定 义元 件 的选 择 性系 数 为 = S1 /S2 ( S1 是元件在气氛 1 中的 灵敏度, S2 是元 件在 气氛 2
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传 感器 与微 系统
第 27卷
摘 要: 用水热法制备出 N iO 纳米粉体, 对其进行 了 W O3 系列 掺杂。利用 XRD 对产 物晶相 结构进 行表 征, 测试了掺杂材 料的气敏性能。结果表明: 适量 W O3 的掺 杂明显改 善了 N iO 材料 的气敏 性能, 其中, 掺 杂质量分数为 6% 的气敏元件性能最好, 350 时对 C l2 的灵敏度可达到 37. 5, 200 时对 H 2 S的灵敏度可 达 30. 4。说明该元件在不同温度下对不同气体具有选择性, 且该元件对 H 2 S响应恢复快。 关键词: 氧化镍; 三氧化钨 ; 掺杂; 气敏性能
0引 言 N iO 作为一种 P 型半 导体 材料, 因其 具有 稳定 而较宽
的带隙在电池材料、催化剂、气敏材料等方面有着广泛的应 用 [ 1~ 3] 。以 N iO 为 基 体材 料 制作 的 气敏 元 件 虽然 具 有响 应 恢复快, 稳 定性 比较 好等 优点, 但与 N 型半 导体 SnO, ZnO 等气敏材料相比, N iO 的气 体灵敏度较 低, 这 主要是因 为 N iO 为空穴导电, 吸附 可燃气 体后空穴 减少, 电阻 增大, 而 N iO 材料本 身 的 电阻 又 比 较 高。因 此, 不 断 改 善 提高 N iO 的气 敏 性 能 使 其 具 有 实 用 性 是 当 前 研 究 的 重 点 所 在 [ 4, 5] 。本文利用水热法制备 N iO 对其进行 不同质 量分数 的 W O3 掺杂, 研究了掺杂后 N iO 的气敏性能。 1实 验 1. 1 材料的制备
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4% , 6% 的 W O3 的 N iO 样品 的各个衍 射峰均 与标 准物质 N iO 图谱的峰位置 ( JCPDS PDF 47 1049)完全吻合, 为立方 晶型。说明微量的 W O3 掺杂到了 N iO 的晶格间隙中, 并未 破坏 N iO 原有 的晶形结构。而质量分数为 8% , 10% W O3 掺杂的 N iO 的主要特征峰未发生变 化, 但 在 2 为 31∀附近 出现了很小 的 杂质 峰。说 明随 着 W O3 的 掺杂 量的 增 加, N iO 的晶格结构受 到了一 定程 度的 破坏, 出现 了形 成镍钨 复合氧 化物 的趋 势。从 图中 还可 看出: 质 量分 数为 6% , 8% , 10% W O3 掺杂的 N iO 特征峰半峰宽出现明 显宽化现 象。说明了适量 W O3 粒子的 存在 限制了 体系 中粒 子的迁 移, 从而抑制了 N iO 晶粒的成长, 使其粒径更小。