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Síntese fácil de óxido de estanho mesoporoso semelhante a buraco de minhoca via auto-montagem induzida por evaporação e propriedades aprimoradas de detecção de gás

Resumo


Óxido de estanho mesoporoso semelhante a buraco de minhoca foi sintetizado por meio de um método de auto-montagem induzida por evaporação fácil (EISA) e as propriedades de detecção de gás foram avaliadas para diferentes gases-alvo. O efeito da temperatura de calcinação nas propriedades de detecção de gás do óxido de estanho mesoporoso foi investigado. Os resultados demonstram que o sensor de óxido de estanho mesoporoso calcinado a 400 ° C apresenta notável seletividade aos vapores de etanol em comparação com outros gases-alvo e tem um bom desempenho na temperatura de operação e tempo de resposta / recuperação. Isso pode ser atribuído à sua alta área de superfície específica e estrutura porosa, que pode fornecer locais mais ativos e gerar mais especiarias de oxigênio adsorvido quimicamente para promover a difusão e adsorção de moléculas de gás na superfície do material de detecção de gás. Um possível mecanismo de formação do óxido de estanho mesoporoso e o mecanismo de detecção de gás aprimorado são propostos. O óxido de estanho mesoporoso mostra aplicação de detecção prospectiva nos campos de sensores de gás.

Histórico


Entre os óxidos de metal semicondutores, dióxido de estanho (SnO 2 ), um semicondutor de banda larga (3,6 eV) com uma estrutura de cristal do tipo rutilo, tem atraído muita atenção para várias aplicações potenciais nos campos de materiais anódicos de baterias de íon-lítio [1], células solares sensibilizadas com corante [2 ], fotocatálise [3,4,5], materiais condutores [6] e sensores de gás [7] devido ao grande gap, natureza não estequiométrica, excelente mobilidade eletrônica e estabilidade. Hoje em dia, os sensores de gás estão desempenhando um papel muito importante no monitoramento da poluição ambiental [8], qualidade do ar interno, saúde pública, diagnóstico de doenças não invasivas e aplicações industriais. Muitos óxidos de metal semicondutores como ZnO [9], Co 3 O 4 [10], WO 3 [11,12,13,14,15], NiO [16, 17] e SnO 2 [18,19,20,21,22,23] têm sido usados ​​para aplicações de detecção de gases devido à excelente resposta, alta sensibilidade, boa confiabilidade e baixo custo. Entre eles, SnO 2 foi extensivamente investigado para sensores de gás com uma grande sensibilidade a vários gases, incluindo acetona [24], dióxido de nitrogênio [25], tolueno [26], etanol [27], formaldeído [28, 29] e metanol [30].

As propriedades de SnO 2 dependem diretamente de seu estado estrutural e morfológico, como a fase, o tamanho da partícula e o gap. Portanto, muitos esforços foram feitos para sintetizar SnO 2 em morfologias nanoestruturadas úteis para adaptar suas propriedades químicas e físicas [17, 31, 32]. Então, vários SnO 2 nanoestruturas com morfologias diferentes foram obtidas, as quais exibiram boas propriedades de detecção para muitos gases de teste. Enquanto isso, SnO 2 com estrutura mesoporosa possui alta área de superfície específica e distribuição de tamanho de poro estreita, o que pode fornecer mais locais ativos in-situ para interação superior de SnO 2 pós com gás analito e fácil difusão de gás nas camadas de detecção porosas; poderia melhorar ainda mais as propriedades de detecção de gás. SnO mesoporoso 2 foi previamente preparado através de vários métodos, incluindo métodos sol-gel e sonoquímicos utilizando modelos supramoleculares. No entanto, as literaturas relacionadas com a preparação de SnO 2 indicam que um método simples e econômico para sintetizar SnO mesoporoso 2 ainda representa um desafio e mais melhorias são necessárias. Além disso, a automontagem induzida por evaporação é um método bastante eficaz para a síntese de nanocristais porosos e tem as vantagens de tamanhos de poros homogêneos, morfologias controláveis ​​e condições de reação moderadas [33, 34].

Neste artigo, um processo fácil de auto-montagem induzida por evaporação foi empregado para sintetizar SnO 2 mesoestrutura sob condições moderadas para aplicação eficaz do sensor de gás. A microestrutura, morfologia e as propriedades de detecção do SnO mesoporoso 2 foram sistematicamente investigados. Os resultados do teste sobre as propriedades de detecção de gás mostraram o SnO mesoporoso como preparado 2 tinha uma boa sensibilidade em uma temperatura operacional apropriada, e as propriedades aprimoradas de detecção de gás estavam intimamente relacionadas aos seus poros interconectados e facetas expostas. Além disso, o possível mecanismo de propriedades aprimoradas de detecção de gás também foi discutido.

Métodos


Todos os produtos químicos usados ​​nas experiências foram reagentes de grau analítico adquiridos da Sinopharm Chemical Reagent Co. Ltd. e usados ​​sem purificação adicional. Em um procedimento típico, 0,42 g SnCl 4 · 5H 2 O e 0,336 g de ácido cítrico foram primeiro dissolvidos em 10 mL de água desionizada. 0,144 g de agente de direção de estrutura (modelo) (EO) 20 (PO) 70 (EO) 20 (P123) foi dissolvido em 10 mL de etanol e 1 mL de ácido nítrico foi adicionado como um inibidor de condensação. A solução de P123 foi então adicionada à solução de estanho com agitação vigorosa. A mistura formada foi coberta com filme PE, agitada a 60 ° C em banho-maria por 2 h, e então colocada em um forno de secagem a 60 ° C para passar pelo processo de evaporação do solvente. O sólido formado foi calcinado ao ar por 3 h para remover o molde e finalmente produzir o SnO mesoporoso 2 . O SnO mesoporoso 2 calcinados a 350, 400 e 450 ° C foram denominados SnO 2 -350 ° C, SnO 2 -400 ° C e SnO 2 -450 ° C, respectivamente.

A análise de fase foi realizada no D / MAX2550VB + Difratômetro de raios-X com tensão de aceleração de 40 kV e corrente de emissão de 300 mA, radiação Cu Kα ( λ =1,5405 Å) como fonte de radiação e grafite como monocromador; 2 θ variando de 0,5 ° a 80 ° foi detectado a uma taxa de varredura de 0,02 ° / s. Imagens de espectroscopia eletrônica de transmissão (TEM) e microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM) dos produtos foram obtidas por um Tecnai G 2 Microscopia eletrônica 20ST a 220 kV. O N 2 As isotermas de adsorção-dessorção foram registradas a 77 K e analisadas usando um analisador ASAP 2020 Surface Area. As áreas de superfície específicas foram calculadas usando a equação de Brunnauer-Emmett-Teller (BET), e as estimativas das distribuições de tamanho de poro foram deduzidas por meio dos métodos de Barrett-Joyner-Halenda (BJH). Os espectros de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) das amostras foram registrados em um espectrofotômetro Nicolet Nexus 670 FTIR usando pelotas de KBr, e a mistura foi prensada em uma pelota para medição de IV. O espectro de fotoluminescência (PL) foi medido em um HITACHI FL-4500 à temperatura ambiente usando uma lâmpada Xe com um comprimento de onda de 310 nm como fonte de excitação.

Em primeiro lugar, os pós de SnO mesoporoso 2 foram misturados com terpineol saturado com metilcelulose para formar pasta diluída. Em seguida, a pasta foi revestida em um tubo de cerâmica de alumina que foi impresso com um par de eletrodos de ouro e quatro fios de Pt. Depois de ser seco em condições ambientais, o tubo de cerâmica foi aquecido a 350 ° C durante 3 h. Finalmente, uma pequena bobina de liga de Ni-Cr foi inserida no tubo como um aquecedor para fornecer a temperatura operacional.

O teste de detecção de gás foi realizado em um sistema WS-30A (Weisheng Electronics Co., Ltd., China). Antes das medições, o dispositivo foi envelhecido a 350 ° C por 48 h no ar para melhorar a estabilidade. A resposta foi definida como Ra / Rg, onde Ra e Rg foram as resistências do sensor exposto no ar e na atmosfera redutora, respectivamente. Os tempos de resposta e recuperação foram definidos como o tempo que o sensor leva para atingir 90% da variação total da resistência no caso de adsorção e dessorção, respectivamente. As propriedades de detecção de umidade do SnO mesoporoso 2 sensores foram estudados na temperatura operacional ideal sob quatro diferentes umidade relativa (UR) (24, 43, 75 e 97%) usando soluções saturadas de CH 3 COOK, K 2 CO 3 , NaCl e K 2 SO 4 , respectivamente. O princípio de teste dos sensores de gás foi semelhante ao descrito na literatura [21].

Resultados e discussão


Conforme ilustrado na Fig. 1, SnO mesoporoso 2 os pós foram preparados por agregação micelar, evaporação, automontagem e remoção de surfactantes. Em primeiro lugar, as espécies de estanho e moléculas de P123 foram misturadas uniformemente para formar a solução original. O P123 serviu como uma espécie de agente de direção de estrutura no experimento, que posteriormente se montou em micelas como mesofase de cristal líquido. Em condições solvotérmicas, as micelas P123 podem ser adsorvidas nas superfícies de Sn (OH) 4 durante o progresso de evaporação lento na solução ou SnO 2 por ligações de coordenação fracas para formar intermediários complexos do tipo coroa-éter que inibem o crescimento do SnO 2 partículas [35]. Como resultado, uniforme SnO 2 nanocristais foram obtidos. Por meio da automontagem induzida dessas partículas e da remoção do surfactante por um tratamento térmico simples, o SnO mesoporoso-estruturado 2 foi obtido com sucesso, o que foi responsável por grande área de superfície e volume de poros.

Ilustração esquemática do procedimento sintético de SnO mesoporoso 2 pós

As estruturas cristalinas do SnO mesoporoso sintetizado 2 amostras com diferentes temperaturas calcinadas foram investigadas por medidas de XRD, e seus padrões são mostrados na Fig. 2. A formação da mesoestrutura foi confirmada por padrões de XRD de pequeno ângulo (Fig. 2a). Amostra SnO 2 -400 ° C mostra um pico de difração mais forte em torno de 1,7 °, característico da estrutura mesoporosa, enquanto a amostra SnO 2 -350 ° C não mostra nenhum pico mesoporoso característico. O SnO de amostra 2 -450 ° C exibe um pico de difração relativamente mais fraco e mais amplo, o que revela que a temperatura de calcinação mais alta pode resultar no colapso da mesoestrutura e na redução do pico de difração correspondente. A Figura 2b indica os padrões de XRD de grande angular correspondentes de SnO mesoporoso 2 calcinado em diferentes temperaturas. Todos os picos de difração são indexados à estrutura do rutilo tetragonal de SnO 2 (Cartão JCPDS nº 41-1445) [36]. Os picos de difração em 26,7 °, 33,9 ° e 52,0 ° podem ser indexados como os planos de rede (110), (101) e (211), respectivamente. Além disso, o aumento da intensidade de SnO 2 reflexões para uma temperatura mais alta de calcinação indicam melhor cristalinidade. Os picos altamente alargados indicam que o SnO 2 os pós são compostos de cristalitos de pequeno tamanho, o que concorda bem com os resultados de TEM.

a Ângulo pequeno e b padrões de XRD de ângulo amplo de SnO mesoporoso 2 pós

As propriedades texturais e estruturas de poros de diferentes amostras foram medidas pelo N 2 isoterma de adsorção / dessorção. O N 2 curvas de isoterma de adsorção / dessorção de SnO mesoporoso 2 calcinados em diferentes temperaturas (Fig. 3a) exibem um ramo de adsorção do tipo IV com um tipo distinto H3 loop de histerese, e este tipo de isoterma é uma característica típica de estruturas mesoporosas [37,38,39,40,41]. O resultado é ainda confirmado pelas distribuições de tamanho de poro BJH correspondentes (Fig. 3b). As áreas de superfície específicas de Brunauer-Emmett-Teller (BET) ( S APOSTA ) de SnO 2 -350 ° C, SnO 2 -400 ° C e SnO 2 -450 ° C foram calculados para ser 281, 356 e 307 m 2 / g, sem uma diminuição óbvia com o aumento da temperatura de calcinação, indicando a boa estabilidade térmica do SnO mesoporoso 2 preparado pelo método de auto-montagem induzida por evaporação em uma etapa (EISA). Enquanto isso, o volume total do poro ( V poros ) e diâmetro médio dos poros ( d poros ) foram, respectivamente, calculados como 0,14, 0,28 e 0,22 cm 3 / ge 2,9, 5,3 e 4,7 nm (Tabela 1). Mostra um ligeiro aumento nas propriedades texturais de 350 a 400 ° C, que é atribuído à remoção completa do molde orgânico e possível interconexão dos sistemas de poros, enquanto a pequena diminuição de 450 a 400 ° C é devido ao ligeiro colapso de a mesoestrutura.

a Isotermas de adsorção-dessorção de nitrogênio. b Curvas de distribuição de tamanho de poro BJH correspondentes de SnO mesoporoso 2 pós

A mesoestrutura das amostras pode ser confirmada pelas imagens TEM. Imagens típicas de TEM de SnO sintetizado 2 amostras calcinadas em diferentes temperaturas são mostradas na Fig. 4. Ela exibe claramente os mesoporos semelhantes a buracos de minhoca, que foram formados pela agregação de nanopartículas uniformes. Essa estrutura de poro é semelhante à do SnO 2 amostras fabricadas por outros pesquisadores [42, 43]. A estrutura mesoporosa em forma de buraco de minhoca pode ser aumentada aumentando a temperatura de calcinação de 350 a 400 ° C (Fig. 4a, b). O padrão SAED (área selecionada de difração de elétrons) de SnO 2 -400 ° C (Fig. 4b) demonstra a estrutura policristalina de cassiterita, exibindo três anéis de difração largos correspondentes a (110), (101) e (221) reflexões, respectivamente, que são bem consistentes com os resultados de XRD. A imagem HRTEM de SnO 2 -400 ° C (Fig. 4c) mostrou claramente sua franja de rede e o espaçamento da franja de rede de SnO 2 As nanopartículas de -400 ° C são de 0,32 nm, que representam o (110) plano basal de SnO 2 cristais. A estrutura mesoporosa pode reter bem após calcinação a 450 ° C (Fig. 4d), indicando a excelente estabilidade térmica do SnO mesoporoso 2 .

Imagens TEM de a SnO 2 -350 ° C, b SnO 2 -400 ° C (a inserção é o padrão SAED correspondente) e d SnO 2 -450 ° C. c Imagem HRTEM de SnO 2 -400 ° C

Os espectros de FTIR de diferentes amostras são mostrados na Fig. 5a. A banda de alongamento característica em 1658 cm −1 é atribuído ao grupo C =O. As faixas de vibração em torno de 2803, 1381 e 1349 cm −1 são atribuídos a vibrações de CH 2 espécies. As bandas em torno de 763 e 623 cm −1 são atribuídos a diferentes modos de vibração dos grupos O – Sn – O e Sn – O – Sn. Indicou que há um modelo orgânico residual na amostra SnO 2 -350 ° C. Quando a temperatura calcinada aumenta, as bandas em 1658, 2803, 1381 e 1349 cm −1 diminuem devido à decomposição das espécies orgânicas. Essas bandas desapareceram para a amostra SnO 2 -450 ° C, indicando que o molde de surfactante foi removido completamente por calcinação a 450 ° C. A espectroscopia de fotoluminescência (PL) é uma técnica adequada para determinar a qualidade cristalina e a estrutura fina do exciton [44]. Os espectros de emissão de PL à temperatura ambiente foram realizados para investigar as propriedades ópticas do SnO mesoporoso 2 . A Figura 5b mostra os espectros de emissão de PL do SnO mesoporoso 2 com diferentes temperaturas calcinadas, e o comprimento de onda de excitação foi 310 nm. As amostras calcinadas a 400 e 450 ° C exibem dois picos principais nos espectros de emissão. Uma banda de emissão está em cerca de 390 nm e a outra em cerca de 458 nm, indicando que o aumento da temperatura de 400 para 450 ° C tem pouco efeito nas propriedades ópticas das amostras, uma vez que o gap de energia do SnO 2 era 3,62 eV. No entanto, os picos de SnO 2 -350 ° C são visivelmente mais do que aqueles das amostras calcinadas a 400 e 450 ° C, e isso pode ser atribuído ao molde orgânico residual, que resulta na superfície de defeitos estruturais [45, 46]. O pico em 390 nm é independente da concentração de vacâncias de oxigênio e é de defeitos estruturais ou centros luminescentes, como nanocristais e defeitos de SnO 2 . Os defeitos estão localizados principalmente na superfície das nanoestruturas e podem formar uma série de níveis de energia metaestáveis ​​dentro da lacuna de banda do SnO mesoporoso 2 capturando elétrons da banda de valência. Isso contribui para a luminescência ou intersticiais Sn formados durante o processo de automontagem induzida pela evaporação [47]. O pico em 458 nm é atribuído a defeitos relacionados ao oxigênio que foram introduzidos durante o processo de crescimento [48]. A intensidade de duas bandas de emissão aumenta com o aumento da temperatura calcinada, enquanto a posição de duas bandas de emissão não tem mudança óbvia.

a Espectros de FTIR. b Os espectros de fotoluminescência de SnO mesoporoso 2 amostras (o comprimento de onda de excitação é 310 nm)

As propriedades de detecção de gás do SnO mesoporoso 2 os sensores são mostrados na Fig. 6. Geralmente, a resposta dos sensores de gás é influenciada por sua temperatura de trabalho [49, 50]. Portanto, as respostas do SnO mesoporoso 2 sensores com diferentes temperaturas calcinadas a 200 ppm de etanol em diferentes temperaturas de operação (Fig. 6a) são investigados para determinar as temperaturas de trabalho ideais. Revela que as respostas de SnO mesoporoso 2 calcinado a 400 ° C permaneceu mais alto em diferentes temperaturas de operação e, ainda assim, as respostas foram reduzidas com um aumento ou diminuição da temperatura de operação. No entanto, as respostas de SnO mesoporoso 2 calcinados em diferentes temperaturas têm a tendência semelhante, aumentando primeiro e diminuindo depois com o aumento da temperatura de operação e o máximo ocorre a 200 ° C, indicando que a temperatura de trabalho ideal do SnO mesoporoso 2 calcinado em diferentes temperaturas para o etanol é 200 ° C, e as discussões a seguir são todas baseadas nos resultados medidos a 200 ° C.

a Respostas do SnO mesoporoso 2 sensores a 200 ppm de etanol em diferentes temperaturas de operação, b respostas vs. concentração de etanol e c curva de resposta-recuperação para o SnO mesoporoso 2 sensores (a temperatura de operação é 200 ° C). d Respostas de gases do SnO mesoporoso 2 sensores a 200 ppm de etanol, metanol, metanol e acetona operados a 200 ° C

A Figura 6b mostra as curvas de relação testadas a 200 ° C entre as respostas e a concentração de etanol para o SnO mesoporoso 2 sensores calcinados em diferentes temperaturas. Mostra que a concentração ideal de etanol é de 200 ppm para SnO mesoporoso 2 calcinado em diferentes temperaturas. SnO mesoporoso 2 calcinado a 400 ° C apresenta a maior resposta, e sua resposta a 200 ppm de etanol chega a 41,6, que é muito maior do que calcinado a 350 e 450 ° C. A Figura 6c exibe as curvas de resposta-recuperação do SnO mesoporoso 2 sensores para etanol, que são testados nas mesmas condições (a temperatura de operação é de 200 ° C) para fazer uma comparação. Ele revelou que a velocidade de resposta do SnO 2 O sensor de -400 ° C é superior a SnO 2 -350 ° C e SnO 2 -450 ° C. A resposta e o tempo de recuperação do SnO 2 O sensor de -400 ° C foi de 31 e 2 s, respectivamente. Com a concentração de etanol aumentando de 10 para 200 ppm, as curvas de propriedades de detecção de gás mostram uma tendência de aumento, e a resposta máxima foi de 41,6 a 200 ppm. Porém, quando a concentração do etanol aumenta continuamente para 400 ppm, sua sensibilidade diminui e mostra um nivelamento de 400 para 2.000 ppm, pois a sensibilidade dos sensores estava saturada. Além disso, as respostas de SnO 2 -350 ° C e SnO 2 -450 ° C mostram a tendência de variação semelhante, mas as respostas são muito mais baixas do que aquelas de SnO 2 -400 ° C. A seletividade é outro parâmetro importante para avaliar a capacidade de detecção de um sensor de gás [51, 52]. A Figura 6d mostra um gráfico de barras do SnO mesoporoso 2 sensores com diferentes temperaturas calcinadas a 200 ppm de etanol, metanol, metanol e acetona na temperatura de operação de 200 ° C. Conforme mostrado na Fig. 6d, os sensores exibem a maior resposta ao etanol contra outros gases-alvo. Além disso, os sensores são menos sensíveis à acetona. Enquanto isso, a resposta do SnO mesoporoso 2 calcinado a 350, 400 e 450 ° C a 200 ppm de etanol é 9,3, 41,6 e 30,5, respectivamente. Também pode ser observado que as respostas do SnO 2 Sensor de -350 ° C a 200 ppm de etanol, metanal, acetona e metanol são inferiores a 10 a 200 ° C. Estes resultados demonstram que o SnO mesoporoso como preparado 2 sensores podem detectar seletivamente vapores de etanol com a interferência de outros gases e ter um bom desempenho na temperatura de operação e tempo de resposta / recuperação.

A umidade relativa (UR) tem um efeito na resposta do gás dos sensores de gás baseados em óxido de metal. Portanto, a influência de RH neste SnO mesoporoso 2 sensor foi investigado, e as respostas para 200 ppm de etanol sob diferentes UR são mostradas na Fig. 7a. É claro que as respostas diminuíram com o aumento da UR em comparação com as condições secas. Abaixo de 97% de UR, a resposta foi de cerca de 17,2, 30,3 e 5,1 para os sensores SnO 2 -450 ° C, SnO 2 -400 ° C e SnO 2 -350 ° C, que foram superiores aos valores encontrados quando a UR era de 43 e 75%. Além disso, o SnO 2 -400 ° C demonstrou ser menos afetado pela presença de umidade, mostrando uma diminuição menor na resposta ao etanol. A estabilidade a longo prazo do SnO 2 O sensor de -400 ° C foi testado por 10 dias sob 200 ppm de etanol na temperatura operacional de 200 ° C, conforme mostrado na Fig. 7b. Mostra-se que a resposta muda a cada dia, mas os desvios máximos das respostas ao etanol são menores que 10%. Claramente, o sensor baseado no SnO mesoporoso 2 -400 ° C tem uma excelente estabilidade a longo prazo, que pode ser usada como um candidato promissor para aplicações práticas de detecção de gás.

a Resposta do SnO mesoporoso 2 sensores a 200 ppm de etanol em função da umidade relativa a 200 ° C. b Estabilidade de longo prazo do SnO 2 Sensor de -400 ° C a 200 ppm de etanol a 200 ° C

Com base nos resultados das propriedades de detecção de gás para o SnO mesoporoso 2 sensores com diferentes temperaturas calcinadas, foi revelado que o SnO mesoporoso 2 O sensor de -400 ° C tem o melhor desempenho abrangente, que pode ser atribuído à alta área de superfície e volume de poro formado através da indução do processo de automontagem. Mostra uma ligeira diminuição nas propriedades texturais e de detecção de gás quando a temperatura calcinada sobe de 400 a 450 ° C, indicando que SnO mesoporoso 2 tem boa estabilidade química e estabilidade térmica. Além disso, a diminuição se deve ao leve colapso da mesoestrutura. O SnO mesoporoso 2 O sensor de -350 ° C tem o pior desempenho geral, que é atribuído ao entupimento do canal pelo modelo orgânico residual. Quando a temperatura calcinada subiu para 400 ° C, o molde orgânico foi removido completamente e pode formar os canais de poros interconectados para melhorar ainda mais o desempenho de detecção de gás.

Alguns resultados de detecção de etanol de SnO 2 os materiais baseados na literatura estão resumidos na Tabela 2. Nosso SnO mesoporoso 2 nanopartículas exibiram um melhor desempenho de detecção de etanol. O SnO 2 -400 ° C mostra a excelente resposta 41,6 a 200 ° C para 200 ppm de etanol gasoso. Os resultados indicam que o SnO mesoporoso sintetizado 2 é um material sensor de gás promissor para detecção de etanol.

De acordo com os resultados acima, propusemos o mecanismo das propriedades de detecção de gás aprimoradas na Fig. 8. Geralmente, o canal de condução estreito em SnO 2 nanocristalinos e barreira de alto potencial entre SnO 2 nanocristalinos fazem com que o sensor de gás mostre um alto valor de resistência. Enquanto isso, o acúmulo de SnO 2 as nanopartículas impedem a difusão efetiva dos gases, o que resulta na degradação das propriedades de detecção de gases. Portanto, melhorar a estrutura dos poros e aumentar a área de superfície específica são maneiras eficientes de melhorar a sensibilidade do sensor. Na escala micro, quando o sensor de gás foi exposto ao ar, as espécies de oxigênio são ionosorvidas em SnO 2 superfície (O 2 - , O - ou O 2− ) [18, 53] prendendo os elétrons da banda de condução e criando uma camada de depleção perto da superfície da partícula. No ar seco, O - é a espécie predominante de oxigênio ionosorvido [27, 54]; portanto, uma reação entre O - espécie ionosorvida em SnO mesoporoso 2 nanopartículas e etanol ocorre. Como resultado, os elétrons são liberados de volta para a banda de condução do SnO 2 e o O - espécies são transformadas em água e dióxido de carbono. Isso resulta em uma diminuição na camada de depleção junto com uma diminuição da resistência. Portanto, nos experimentos, SnO mesoporoso 2 com alta área de superfície específica pode fornecer locais mais ativos e gerar mais especiarias de oxigênio adsorvido quimicamente na superfície, o que aumenta a camada de depleção de SnO 2 . Além disso, a estrutura porosa e o tamanho nano do SnO 2 as partículas permitem uma difusão eficiente do oxigênio e do gás de teste (etanol) para os locais ativos, o que faz com que o sensor apresente uma maior resposta ao gás alvo (etanol).

Ilustração esquemática do mecanismo de detecção de etanol de SnO mesoporoso 2

Conclusões


Em resumo, o SnO 2 com nanoestruturas mesoporosas foram fabricadas com sucesso por meio da técnica de auto-montagem induzida por evaporação, usando copolímero tribloco P123 como molde e cloreto de estanho (IV) pentahidratado como precursor de metal, e calcinado em diferentes temperaturas. Os resultados revelaram que o SnO mesoporoso 2 têm boa estabilidade química e térmica. Nos estudos de detecção de gás, o SnO mesoporoso 2 exibiu propriedades aprimoradas de detecção de gás, como resposta rápida / tempo de recuperação, alta sensibilidade e boa seletividade de detecção para etanol. SnO mesoporoso 2 calcinado a 400 ° C exibe a maior resposta, e sua resposta a 200 ppm de etanol chega a 41,6. Isso pode ser atribuído à sua alta área de superfície específica e estrutura de poros interconectados, que pode fornecer locais mais ativos e gerar mais especiarias de oxigênio adsorvido quimicamente para promover a difusão de moléculas de etanol e sua adsorção na superfície do SnO 2 . Acreditamos que o SnO mesoporoso 2 poderia ter excelente aplicação de detecção no campo de detecção de poluição, diagnóstico médico e segurança industrial.

Abreviações

BET:

Brunauer-Emmet-Teller
BJH:

Barrett-Joyner-Halenda
d poros :

Diâmetro médio do poro
EISA:

Auto-montagem induzida por evaporação
JCPDS:

Padrões de Difração de Pó do Comitê Conjunto
P123:

(EO) 20 (PO) 70 (EO) 20
PL:

Fotoluminescência
S APOSTA :

Áreas de superfície específicas
SnO 2 :

Óxido de estanho
TEM:

Microscopia eletrônica de transmissão
V poros :

Volume total do poro
XRD:

Difração de raios X

Nanomateriais

  • Metal
  • Resina
  • fibra
  • Material compósito
  • Nanomateriais
  • Materiais Poliméricos
  • biológico
  • Corante
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