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

TrendMD:

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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)

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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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