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气体传感器的性能特点介绍

时间:2023-06-30 理论教育 版权反馈
【摘要】:通常,随着湿度的增加,5%Fe-ZnO/rGO 传感器表现出恶化的气敏性能。图4.3.11在最佳工作温度下ZnO,ZnO/rGO 和5%Fe-ZnO/rGO 传感器对1×10-6 ~5×10-6 甲醛的气体响应恢复时间图4.3.12基于ZnO,ZnO/rGO 和5%Fe-ZnO/rGO的三个传感器对5×10-6 甲醛的单个响应恢复特性图4.3.13在四个不同的湿度条件下基于5%Fe-ZnO/rGO 的气体传感器对不同甲醛浓度的气敏性能为了满足甲醛检测的实际应用,基于5%Fe-ZnO/rGO 的传感器的气敏特性在120 ℃和20%RH 下进行了全面测试。

气体传感器的性能特点介绍

最佳工作温度对气体传感器至关重要。因此,我们测量了基于ZnO,ZnO/rGO,2.5%Fe-ZnO/rGO,5%Fe-ZnO/rGO 和7.5%Fe-ZnO/rGO 样品的传感器对5 ×10-6甲醛的气体响应作为工作温度的函数。图4.3.9 显示了传感器在20 ~270 ℃的不同温度下对5×10-6 甲醛的气体响应值。有趣的是,所有传感器在最佳工作温度下均表现出最大的气体响应。测试的最大气体响应和最佳工作温度为22 0℃(ZnO)时Smax= 3.6,120 ℃(ZnO/rGO)时Smax= 8.2,120 ℃时Smax=10.3(2.5%Fe-ZnO/rGO),在120 ℃(5%Fe-ZnO/rGO)下Smax=12.7,在120 ℃(7.5%Fe-ZnO/rGO)下Smax=7.6。值得注意的是,基于5%Fe-ZnO/rGO 的传感器显示出对甲醛的气体响应最高,几乎是纯ZnO 的4 倍。同时,与纯ZnO 传感器相比,5%Fe-ZnO/rGO 传感器的最佳工作温度已降至约100 ℃。另一方面,基于Fe 掺杂的ZnO/rGO 和ZnO/rGO 的传感器即使在室温(20 ℃)下也显示出气体响应信号,但是在此温度下基于纯ZnO的传感器没有气体响应信号。从以上结果可以得出结论,添加rGO 可以降低操作温度并改善ZnO 的气体响应。而且,掺杂Fe 可以进一步增强ZnO/rGO 复合材料的气体响应,并且Fe 的最佳掺杂量为5%。因此,选择5%Fe-ZnO/rGO 样品来详细研究气体传感性能。

图4.3.9 基于ZnO,ZnO/rGO,2.5%Fe-ZnO/rGO,5%Fe-ZnO/rGO 和7.5%Fe-ZnO/rGO 的传感器在不同温度下对5×10-6 甲醛的灵敏度

由于气体选择性是在气体传感器的应用中的重要参考因素,因此测量了ZnO,ZnO/rGO 和5%Fe-ZnO/rGO 传感器在最佳工作温度下对6 种典型室内污染物气体的5×10-6 的气体响应(最佳工作温度:对于ZnO 为220 ℃,ZnO/rGO 和5%Fe-ZnO/rGO 样品为120 ℃)。图4.3.10 显示了三个传感器对6 种典型的室内有害挥发性气体的气体响应的柱状图,其中包括一氧化碳(CO),苯(C6H6),丙酮(CH3COCH3),甲醛(HCHO),甲基苯(C7H8)和氨(NH3)。柱状图中,ZnO,ZnO/rGO 和5%Fe-ZnO/rGO 传感器均表现出对甲醛有较好的选择性。值得注意的是,5%Fe-ZnO/rGO 传感器具有最大的气体响应比值,其中气体响应比定义为甲醛/其他目标气体。5%Fe-ZnO/rGO 传感器的气体响应比在2.5 和11.5 之间,而纯ZnO 的气体响应比仅在1.4 和5.1 之间。通常,甲醛与氨相比,氨是一种更强的还原性气体,但传感器对甲醛的气体响应要比氨高。在气体传感测试过程中,NH3 更有可能与水分子结合成NH3·H2O 并与ZnO 结合形成[Zn(H2O)m(NH3n]2+络合物,其中m= 2,3,4,6和n=0,1,2,3,这消耗了大量的NH3 并阻碍了气体传感反应,从而导致较低的氨气响应。根据以上实验结果,5%Fe-ZnO/rGO 传感器对甲醛具有良好的选择性。

图4.3.10 ZnO,ZnO/rGO 和5%Fe-ZnO/rGO传感器在最佳工作温度下对6 种典型室内污染物气体的5×10-6 的气体响应

图4.3.11(a)—(c)显示了在最佳工作温度下ZnO,ZnO/rGO 和5%Fe-ZnO/rGO 传感器对1×10-6 ~5×10-6 甲醛的气体响应。随着甲醛浓度的增加,三个传感器的气体响应曲线呈现出持续上升趋势,但是对于任何一种甲醛气体浓度,5%Fe-ZnO/rGO 的响应都明显高于纯ZnO 和ZnO/rGO 的响应。图4.3.12 显示了基于ZnO,ZnO/rGO 和5%Fe-ZnO/rGO 的三个传感器对5×10-6 甲醛的单个响应恢复特性。ZnO 传感器响应时间和恢复时间分别为51 s 和26 s,ZnO/rGO 传感器响应时间和恢复时间分别为41 s 和31 s,5%Fe-ZnO/rGO 传感器响应时间和恢复时间分别为34 s 和37 s。有趣的是,与其他两个传感器相比,5%Fe-ZnO/rGO 传感器的响应时间更快,但恢复时间更长。可以归因于5%Fe-ZnO/rGO 传感器的大比表面积和大量孔,这有利于气体扩散和感应(如快速响应时间),但不利于气体解吸的原因是材料中的孔洞或孔洞分布狭长且堵塞(如恢复时间长)。

在四个不同的湿度条件下[干燥,20%,40%和60%相对湿度(RH)],研究了相对湿度对基于5% Fe-ZnO/rGO 的传感器对不同甲醛浓度的气敏性能影响。如图4.3.13 所示,随着RH 的增加,5%Fe-ZnO/rGO 传感器的气体响应迅速降低。另一方面,从干燥状态到40%RH,5%Fe-ZnO/rGO 传感器表现出相对稳定和快速的响应时间。但是,在高湿度(60%RH)下,响应恢复时间突然变长了。在高RH 条件下,水蒸气被rGO 和ZnO 表面吸收,从而限制了氧离子(O-或O2-)的吸收,并阻塞了表面吸附甲醛分子。因此,Fe-ZnO/rGO 传感器对甲醛的气体响应降低,响应恢复时间也延长。通常,随着湿度的增加,5%Fe-ZnO/rGO 传感器表现出恶化的气敏性能。

图4.3.11 在最佳工作温度下ZnO,ZnO/rGO 和5%Fe-ZnO/rGO 传感器对1×10-6 ~5×10-6 甲醛的气体响应恢复时间(www.xing528.com)

图4.3.12 基于ZnO,ZnO/rGO 和5%Fe-ZnO/rGO的三个传感器对5×10-6 甲醛的单个响应恢复特性

图4.3.13 在四个不同的湿度条件下基于5%Fe-ZnO/rGO 的气体传感器对不同甲醛浓度的气敏性能

为了满足甲醛检测的实际应用,基于5%Fe-ZnO/rGO 的传感器的气敏特性在120 ℃和20%RH 下进行了全面测试。图4.3.14 是5%Fe-ZnO/rGO 传感器对不同浓度的甲醛气体的灵敏度。当甲醛浓度达到45×10-6 时,传感器的气体响应值呈现出快速增加的趋势,随着甲醛浓度的进一步增加呈现出缓慢增长的趋势,最终在7×10-5 甲醛浓度时达到约81.8 的饱和灵敏度值。值得注意的是,5%Fe-ZnO/rGO 传感器的气体响应从0.1×10-7 ~1×10-6 甲醛浓度几乎呈线性增加(参见图4.3.14 的插图)。对线性动态范围从1×10-7 ~1×10-6 进行研究,其线性曲线的斜率Δ(浓度))约为4.667。计算出5%Fe-ZnO/rGO 传感器对甲醛的检测理论极限约为19×10-9信噪比大于3)。

图4.3.14 5%Fe-ZnO/rGO 传感器对不同浓度的甲醛气体的灵敏度

图4.3.15 5%Fe-ZnO/rGO 传感器的长期稳定性

如图4.3.15 所示,研究了5%Fe-ZnO/rGO 传感器的长期稳定性,并在1×10-6、5×10-6、1×10-5 甲醛下测试了6 周的灵敏度值。在这三个循环测试中,甲醛(1×10-6,5×10-6 和1×10-5)对气体的响应分别为9.1,8.3 和7.1,表明5%Fe-ZnO/rGO传感器甚至在低浓度下仍具有良好的稳定性,并且5%Fe-ZnO/rGO 传感器的灵敏度在高甲醛浓度下更加稳定。

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