DOI:10.3390/s20247333
可变的空气湿度会影响半导体金属氧化物的特性,这使得用电阻式气体传感器测定环境空气中CO含量的可靠性和可重复性变得相对复杂。在这项工作中,研究者测定了电纺ZnO和ZnO/Pd纳米纤维在干燥和潮湿空气中检测CO的传感特性,并研究了其传感机理。利用X射线荧光光谱、XRD、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、高角环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)、X射线荧光光谱(XRD)、高分辨透射电子显微镜(HAADF-STEM)、能量色散X射线(EDX)图、XPS和FTIR光谱等辅助技术对样品的微观结构、钯含量、氧化状态、表面基团的类型和浓度进行了表征。在100-450℃下的干燥(RH25=0%)和潮湿(RH25=60%)空气中,研究了ZnO和ZnO/Pd纳米纤维对5-15ppm CO的传感器特性。结果表明,在潮湿条件下,ZnO完全失去了对CO的灵敏度,而ZnO/Pd则保留了较高的传感器响应。原位漫反射红外傅里叶变换光谱(DRIFTS)结果表明,ZnO/Pd纳米纤维在干燥和潮湿空气中的高传感器响应可归因于电子敏化效应,不受湿度变化的影响。
图1.ZnO和ZnO/Pd纳米纤维的X射线衍射图。虚线对应于ZnO的反射位置(ICDD 36-1451)。
图2.ZnO(a)和ZnO/Pd(b)纳米纤维的SEM图像。
图3.ZnO/Pd样品在不同放大倍数下的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)图像和STEM能谱X射线(EDX)图。在HAADF-STEM图像上,用箭头指示Pd纳米颗粒。
图4.(a)ZnO/Pd纳米纤维的Pd3d XP光谱。(b)ZnO和ZnO/Pd纳米纤维的O1s XP光谱。
图5.ZnO和ZnO/Pd纳米纤维的FTIR透射光谱。
图6.ZnO和ZnO/Pd纳米纤维在干燥(RH25=0%)和潮湿(RH25=60%)中对5ppm CO的瞬态传感器响应(a)和传感器信号的温度依赖性(b)。
图7.在干燥(RH25=0%)和潮湿(RH25=60%)条件下,ZnO和ZnO/Pd纳米纤维在T=450℃和T=300℃下检测CO的瞬态传感器响应(a)和校准曲线(b)。
图8.ZnO和ZnO/Pd纳米纤维在潮湿空气中(a),当干燥空气(RH25=0%)中存在500ppm CO时(b),当潮湿空气(RH25=60%)中存在500ppm CO时(c)的漫反射红外傅里叶变换光谱(DRIFTS)。