瓶状InN-In2O3纳米复合材料的制备及增强的甲醛气敏性能

doi:10.7503/cjcu20200336

摘要/Abstract

摘要：

采用溶胶-凝胶法制备了In₂O₃纳米粉体, 通入NH₃进行反应得到了中间产物InN基底材料, 再通过原位氧化过程最终获得了InN-In₂O₃纳米复合材料, 并利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、 X射线光电子能谱仪(XPS)等对所制备材料的组成、形貌及结构等进行了表征测试. 结果表明, 该纳米复合材料呈瓶状结构. 气敏性能测试结果表明, 其在较低工作温度(75 ℃)下对甲醛气体的检出限可低至ppb级(1 ppb=1.3 μg/m³), 具有灵敏度较高(对0.13 mg/m³即100 ppb甲醛的灵敏度为12)、响应时间较短(2 s)以及选择性和稳定性较强的优良性能. 在湿度对传感器灵敏度的影响测试中, 由于甲醛的水溶特性, 随着湿度的变化, 传感器的灵敏度发生变化. 在低甲醛浓度时湿度的变化对灵敏度的影响较大, 高浓度时影响反而较小.

关键词: InN-In₂O₃, 传感器, 复合材料, 甲醛

Abstract:

The In₂O₃ nano-powder was prepared by sol-gel method， and by reacting with NH₃， the interme- diate product InN base material was obtained， then the InN-In₂O₃ nanocomposite was obtained through the in?situ oxidation process， and characterized by means of XRD（X-ray differaction）， SEM（scanning electron microscopy）， TEM（transmission electron microscopy） and XPS（X-ray photoelectron spectroscopy）. The bottle-shaped nanocomposite was then equipped with a micro-chip sensor chip working platform. The results show that at a lower operating temperature（75 ℃）， the detection limit for formaldehyde gas can be as low as ppb（0.13 mg/m³or 100 ppb）， with higher sensitivity（12）， shorter response time（2 s）， selectivity and stability. In the test of the influence of humidity on the sensitivity of the sensor， due to the water-soluble characteristics of formaldehyde， the sensitivity of the sensor changes with the change of humidity. This change is great when the concentration of formaldehyde is low， but small when the concentration of formaldehyde is high.

Key words: InN-In₂O₃, Sensor, Composite material, Formaldehyde

中图分类号:

O649

宁湫洋, 冯微, 吴国光. 瓶状InN-In₂O₃纳米复合材料的制备及增强的甲醛气敏性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(12): 2804-2812.

NING Qiuyang, FENG Wei, WU Guoguang. Preparation of InN-In₂O₃ Nanocomposite with Bottle-shaped Structure and Its Enhanced Formaldehyde Gas Sensitivity[J]. Chemical Journal of Chinese Universities, 2020, 41(12): 2804-2812.

图/表 12

Fig.1 Components of the sensor device(A) Miniature flat chip sensor; (B) miniature flat electrode pad; (C) four-pin socket.

Fig.2 XRD patterns of In2O3, InN and InN?In2O3(A), Gaussian deconvolution peak fitting for InN(002) and In2O3(222)(B) and Gaussian deconvolution peak fitting for InN(110) and In2O3(440)(C) in InN?In2O3 n?n heterojunction

Fig.3 SEM images of In2O3 obtained by hydrothermal synthesis(A), InN obtained after the first nitriding(B), InN obtained after the second nitriding(C), InN?In2O3 obtained after oxidation(D), EDS spectra for InN(E) and InN?In2O3(F)

Fig.4 TEM images of InN obtained by nitriding(A, B), TEM image(C) and HRTEM image(D) of InN?In2O3 obtained after oxidation

Fig.5 XPS survey scan(A) and In3d(B), N1s(C) and O1s(D) XPS of InN?In2O3 and In2O3

Fig.6 Sensitivity curve of InN?In2O3 to 0.65 mg/m3(500 ppb) HCHO at different temperatures

Fig.7 Response recovery curves of InN?In2O3 to HCHO at different concentrations(A) and response reco?very curve of InN?In2O3 to 0.65 mg/m3 HCHO(B)

Fig.8 Selectivity of the sensor based on InN?In2O3 nanocomposite to various air pollution gases with the concentration of 500 ppb

Fig.9 Long?term response of the InN?In2O3 sensor to 0.65 mg/m3 HCHO

Table 1 InN-In2O3 and In2O3-based gas sensor formaldehyde gas sensor performance comparison

Sensing material	Fabrication approch	Morphology	HCHO concentration/ (mg·m^-3)(ppm)	Operating temperature/℃	Sensitivity or response(R_a/R_g)	Response/ Recovery time/s	Ref.
In₂O₃	Hydrothermal	Nanosheet	65(50)	330	8	14/5	[22]
In₂O₃	Electrospinning	Nanofibers	65(50)	240	11.9	10/15	[23]
Zn?In₂O₃	Hydrothermal	Spindle?like	65(50)	260	14	14/15	[24]
Ag?In₂O₃	Electrospinning	Nanofibers	65(50)	215	18	11/30	[25]
SnO_2-In₂O₃	Electrospinning	Nanofibers	65(50)	375	18.9	25/40	[26]
ZnO?In₂O₃	Electrospinning	Nanoparticles	130(100)	300	46.8	6/7	[27]
In₂O₃	Hydrothermal	Octahedron	13(10)	150	3	16/33	This work
InN?In₂O₃	Chemical synthesis	Bottle shape	0.65(0.5)	75	77	2/12	This work

Fig.10 Variation curve of formaldehyde gas sensiti? vity under different humidity conditions

Scheme 1 Band alignment between In2O3 and InN(A) and schematic of the HCHO gas sensing process(B)

参考文献 31

1	Wang H.， Jia W.， Sun H. H.， Li X.， Yunnan Chem.Tech.， 2019， 46（10）， 104—106
2	Jaballah S.， Benamara M.， DahmanH.， Lahem D.， Debliquy M.， Mir L. E.， J. Mater. Sci.： Mater. Electron.， 2020， 31， 8230—8239
3	Nadalutti C. A.， Stefanick D. F.， Zhao M. L.， Horton J. K.， Wilson S. H.， Sci. Report.， 2020， 10（1）， 5575—5577
4	Gao H. Y.， Wang J. Y.， Zhao Y. N.， Chen K. F.， Xue D. F.， Chem. J. Chinese Universities， 2017， 38（12）， 2206—2212（高海燕，王竞一，赵永男，陈昆峰，薛冬峰. 高等学校化学学报， 2017， 38（12）， 2206—2212）
5	Jiang Y. P.， Liu Y.， Chen M. J.， Li M. F.， Inter. J. Enviro. Sci. Tec.， 2017， 14（7）， 1469—1472
6	Chauhan R. S.， Kumar A.， Prabhu P.， Inorg. Chim. Acta， 2019， 487， 395—397
7	Wang M.， Li X. W.， Shao C. L.， Zhao Y. Q.， Xin J. Y.， Han Z. H.， Li X. H.， Liu Y. C.， Chem. J. Chinese Universities， 2017， 38（9）， 1524—1530（王茉，李晓伟，邵长路，赵英倩，辛佳玉，韩朝翰，李兴华，刘益春. 高等学校化学学报， 2017， 38（9）， l524—1530）
8	Xu J. B.， Wang W.， Wang C.， Chem. J. Chinese Universities， 2017， 38（6）， 942—946（许金宝，王威，王策. 高等学校化学学报， 2017， 38（6）， 942—946）
9	Chen R. S.， Wang J.， Xia Y.， Xiang L.， Sens. Actuators Chem.， 2018， 255（2）， 2538—2545
10	Capra P. P.， Galliana F.， Latino M.， Bonavita A.， Donato N.， Neri G.， Lec. Note. Electr. Engine.， 2014， 268， 149—154
11	Shlimak I.， Ginodman V.， Gerber A. B.， Milner A.， Friedland K. J.， Paul D. J.， Europhys. Lett.， 2005， 69（6）， 143—147
12	Pearton S. J.， Ren F.， Wang Y. L.， ChuB. H.， Chen K. H.， Chang C. Y.， Lima W.， Lin J.， Nortona D. P.， Pro. Mater. Sci.， 2010， 55（1）， 1—59
13	Yue H.， Wang X.， Guo X.， Wang G.， Liu L.， Micro Nano Lett.， 2016， 11（12）， 825—827
14	Wei D. D.， Huang Z. S.， Wang L. W.， Chuai X. H.， Zhang S. M.， Lu G. Y.， Sens. Actuators B， 2018， 255（2）， 1211—1219
15	Yang H. Y.， Zhang X. C.， Tang A. D.， Mater. Chem. Phys.， 2004， 86， 330—332
16	Chen C.， Chen D.， Jiao X.， Wang C.， Chem. Commun.， 2006， 4632—4634
17	Jahangir’ Ifat W.， Alina U.， Md. A. C.， Koley M. V. S.， Goutam， 2016 IEEE Sens.， 2016， 1—3
18	Gao L.， Zhang Q.， Li J.， J. Mater. Chem.， 2003， 13（1）， 154—158
19	Luo S.， Zhou W.， Zhang Z.， Dou X.， Liu L.， Zhao X.， Liu D. F.， Song L.， Xiang Y. J.， Zhou J. J.， Xie S. S.， Chem. Phys. Lett.， 2005， 411（4—6）， 361—365
20	Wang F.， Xue C.， Zhuang H.， Zhang X.， Ai Y.， Sun L.， Yang Z.， Zhu L. H.， Phys. E， 2008， 40（3）， 664—667
21	Kittappa S.， Jang M.， Ramalingam M.， Ibrahim S.， J. Environ. Chem. Eng.， 2020， 8（4）， 103839
22	Dong J. L.， Zhu J. J.， Yan R.， Zheng J. L.， Chen Y. P.， Gao L. P.， J. Ceramics， 2020， 41（1）， 35—41
23	Cao J.， Dou H.， Zhang H.， Mei H.， Liu S.， Fei T.， Wang R.， Wang L.， Zhang T.， Sens. Actuators B， 2014， 180—187
24	Yang H.， Wang S.， Yang Y.， CrystEngComm， 2012， 14（3）， 1135—1142
25	Wang J.， Zou B.， Ruan S.， Zhao J.， Chen Q.， Wu F.， Mater. Lett.， 2009， 63， 1750—1753
26	Du H.， Wang J.， Su M.， Yao P.， Zheng Y.， Yu N.， Sens. Actuators B， 2012， 746—752
27	Ma L.， Fan H.， Tian H.， Fang J.， Qian X.， Sens. Actuators B， 2016， 222（1）， 508—516
28	Huang F.， Shu S. M.， Liu L. Y.， Liu S. T.， J. Wuhan Ins. Tec.， 2016， 38（6）， 538—543
29	Aliano A.， Cicero G.， Catellani A.， ACS Appl.Mater.， 2015， 7， 5415—5419
30	Yuan W.， Liu A.， Huang L.， Li C.， Shi G.， Adv. Mater.， 2013， 25， 766—771
31	He Q.， Zeng Z.， Yin Z.， Li H.， Wu S.， Huang X.， Zhang H.， Small， 2012， 8（19）， 2994—2999

[1]	沙卉雯, 马维廷, 周晓娟, 宋卫星. 激光诱导三维网状石墨烯的一步法制备及应用[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(Album-3): 1-8.
[2]	贾并泉, 叶斌, 赵伟, 许钫钫, 黄富强. 金属相1T´ MoS₂增强类石墨相C₃N₄的可见光催化性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(Album-3): 1-9.
[3]	廖妮, 张捷源, 黄梓阳, 赵晏汐, 柴雅琴, 袁若, 卓颖. 共晶诱导增强的电化学发光9,10-二苯基蒽-苝微晶构建高效尿酸传感器[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(9): 1989-1995.
[4]	宁湫洋, 李万程. 平面型乙醇快速响应气敏传感器的制备[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(8): 1745-1752.
[5]	曹成,曹甜,闫盆吉,王清云,岳国仁,籍向东. 烯醇-酮互变异构型亚胺衍生物对Co²⁺的高选择性识别[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(7): 1544-1551.
[6]	张晨阳,文越华,赵鹏程,程杰,邱景义,孙艳芝. 有机碳源对LiTi₂(PO₄)₃/C复合水系负极性能的影响[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(6): 1352-1361.
[7]	白延群,王存国,李雪,樊文琪,宋鹏豪,顾圆春,刘法谦,刘光烨. 孔道有序排列高容量S@C复合电极材料的制备及电化学性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(6): 1306-1312.
[8]	沙迪, 禹旭敏, 赵将, 马小飞, 王汉夫, 刘芳芳, 邱雪鹏. 碳纤维三向织物/环氧树脂复合材料的制备与力学性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(4): 838-845.
[9]	付可飞, 连惠婷, 魏晓峰, 孙向英, 刘斌. 环糊精基阻抗型传感器的制备及对L-半胱氨酸的识别[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(4): 706-715.
[10]	韩方杰, 代梦娇, 梁芷珊, 宋忠乾, 韩冬雪, 牛利. 光电化学技术应用于抗氧化分析的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(4): 591-603.
[11]	武营飞,李洪昱,蔡磊,贺爱华. 高耐磨低生热NBR/TBIR复合材料的结构与性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(3): 565-571.
[12]	阿丽, 王勇. 多肽荧光传感器检测铜离子[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(12): 2736-2741.
[13]	张怡萌, 张慧欣, 刘洋. 外泌体生物分析及其临床应用研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(11): 2306-2323.
[14]	王乙涵,尹强,杜凯,殷勤俭. 聚吡咯/聚苯胺二元复合纳米管及其热电性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(1): 175-182.
[15]	李勃天,邵伟,肖达,周雪,董俊伟,唐黎明. 聚吡咯纳米线凝胶的模板制备及储能与电化学传感性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(1): 183-190.

瓶状InN-In₂O₃纳米复合材料的制备及增强的甲醛气敏性能

Preparation of InN-In₂O₃ Nanocomposite with Bottle-shaped Structure and Its Enhanced Formaldehyde Gas Sensitivity

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