SnO2基 R134a氣體傳感器英文文章 翻譯

1、SnO2基R134a氣體傳感器：傳感材料的制備，氣體響應(yīng)和傳感機(jī)理摘 要 通過一個簡單的化學(xué)沉淀過程得到純SnO2和多孔Al2O3粉末。采用浸漬法可使SnO2基氣敏材料與Al2O3催化涂層負(fù)載貴金屬。SnO2和Al2O3粉末可由TEM，SEM，氮吸附解吸實(shí)驗和原位XRD，F(xiàn)T-IR表征。SnO2基氣體傳感器的氣體響應(yīng)在靜態(tài)環(huán)境下測量。實(shí)驗結(jié)果表明，通過負(fù)載貴金屬和催化涂層可以顯著增強(qiáng)SnO2基R134a氣體傳感器對氣體的響應(yīng)?；陔p層薄膜SnO2（Au）/zAl2O3（Au）的傳感器展示出令人滿意的結(jié)果，包括響應(yīng)度高，選擇性好，長期穩(wěn)定性高，響應(yīng)和恢復(fù)快，顯示出其在制冷劑檢測及空調(diào)系統(tǒng)維護(hù)方面

2、有應(yīng)用潛力。最后，通過鍵能的數(shù)據(jù)，紅外光譜以及原位XRD來證明R134a的氣敏機(jī)理。關(guān)鍵詞 SnO2 催化涂層 氣體傳感器 R134a 雙層膜1前言如今，半導(dǎo)體金屬氧化物氣敏材料如WO3，In2O3，ZnO1-3和SnO2，由于其突出的特點(diǎn)，例如，成本低，靈敏度高，壽命長，快速響應(yīng)和恢復(fù)，備受關(guān)注。它們有商業(yè)化前景的優(yōu)勢。氧化錫（SnO2）是具有優(yōu)良的電化學(xué)和N型半導(dǎo)體光學(xué)性質(zhì)。作為最早發(fā)現(xiàn)和最廣泛應(yīng)用于氣體傳感材料，SnO2已用于，可燃?xì)怏w和有毒氣體的檢測，例如，H2，乙醇，丙酮，CO，CH4，甲醛等的檢測 4-7。然而，關(guān)于制冷劑811 方面的氣體響應(yīng)報到很少，特別是對R134a的。今年來

3、，大氣臭氧層的不斷枯竭。氟利昂，作為一種被用作空調(diào)系統(tǒng)制冷劑的工作流體，在我們的日常生活中具有重要的作用。眾所周知，氟利昂可以破壞保護(hù)地球免受紫外線照射的臭氧層。因此，CFCs的生產(chǎn)和使用，必須加以控制，而檢測氟里昂已經(jīng)成為迫切需要解決的問題。為了保護(hù)臭氧層，傳統(tǒng)的制冷劑正在被許多新的不消耗臭氧的制冷劑所代替，如R32，R125，R134a，等等。然而，它們?nèi)匀豢赡茉斐扇蜃兣?。因此，迫切需要提供一種檢測HFCs泄漏的方法。R134a是最廣泛和最早使用新型制冷劑之一，但是，由于其結(jié)構(gòu)高度穩(wěn)定，以至于它的反應(yīng)性低和選擇性差，使其很難被金屬氧化物氣體傳感器檢測到。為了降低工作時溫度和提高氣體的選擇

4、和響應(yīng)性，已有人在材料制備，材料裝卸和涂催化層方面做了很多工作，以提高金屬氧化物氣體傳感器的響應(yīng)1214。我們發(fā)現(xiàn)用金，銀，鉑和Al2O3催化劑涂層的方法來裝飾SnO2傳感器，可以提高對R134a的響應(yīng)。外面摻雜著貴金屬的Al2O3涂層是感光涂層，感光涂層通過打破CF鍵提高R134a反應(yīng)性，由于化學(xué)吸附氧氣與R134a之間的反應(yīng)導(dǎo)致阻力（抵抗力）變化,內(nèi)部的SnO2薄膜層可以作出反應(yīng)。后面研究氣體響應(yīng)材料，結(jié)果表明，新型氣體傳感器對R134a的響應(yīng)大，選擇性好，長期穩(wěn)定性高，響應(yīng)快和可恢復(fù)。2。實(shí)驗2.1。材料的合成所有化學(xué)品均是購自上?；瘜W(xué)試劑有限公司的分析級試劑，本文假定收到的化學(xué)品沒有經(jīng)

5、過進(jìn)一步的純化。采用化學(xué)沉淀法制備純SnO2粉末。沉淀法是將SnCl4和NH3H2O混合，在不同pH值條件下的加磁攪拌。沉淀過濾，并用去離子水沖洗去除CL，然后80C 下干燥12小時。得到的粉末在550C 下煅燒2小時后，自然冷卻，作為傳感薄膜的原材料。Al2O3粉末由P123-輔助化學(xué)沉淀制備。P123是一種嵌段聚（環(huán)氧乙烷）- b-poly（環(huán)氧丙烷）-b-聚（氧化乙烯）共聚物（EO20PO70EO20，平均分子量5800）。粉體在400C 下煅燒2小時后，自然冷卻，作為催化劑涂層的原材料。SnO2或Al2O3粉末浸過HAuCl4 、硝酸銀或鉑溶液后，在500C下燒結(jié)1小時，得到金，銀，鉑

6、負(fù)載的SnO2或Al2O3粉末。在傳感、催化層中負(fù)載的貴金屬重量約占0.5% 15,16。2.2。表征透射電子顯微鏡（TEM）實(shí)驗在JEOL JEM-200CX上160 kV電壓下進(jìn)行操作。用于TEM測量的樣品，懸浮在乙醇溶液負(fù)載到碳包覆銅網(wǎng)格上。JEOL JSM-6700F型在15 kV下操作得到場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，樣本不做進(jìn)一步噴金處理直接觀測。在77 K下，3H-2000容積吸附分析器上測量N2吸附等溫線，所有樣品在120 C下真空脫氣至少12小時。利用巴雷特喬伊娜-Halenda（BJH）模型，孔隙體積和孔隙粒度分布均由吸附分支等溫線導(dǎo)出。布魯諾爾emment特勒（BE

7、T）法計算比表面積。為了更好理解傳感機(jī)理，用溴化鉀壓片，在AVATAR 370紅外光譜儀上收集傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）。在上海同步輻射源裝置上 (SSRF)使用bl14b1-xrd光束監(jiān)測了樣品吸附R134a的XRD衍射峰變化。2.3. 樣品的氣體響應(yīng)測試為了制作的氣體傳感器，最終的粉體首先用去離子水在瑪瑙研缽混合成糊狀。然后，在連接有一對金電極的氧化鋁陶瓷管外面敷上糊狀粉末，在SnO2層表面刷上Al2O3漿料后，在室溫下干燥30分。傳感器在500C下煅燒2小時，為了獲得良好的機(jī)械強(qiáng)度和除去有機(jī)添加劑。最后，一個小鎳鉻合金加熱線圈插入管形加熱器。圖1顯示了SnO2Al2O3傳感器的結(jié)構(gòu)

8、。氣體傳感器年齡在350C 10天以提高其穩(wěn)定性 17 。 河南漢威電子有限公司制造的靜態(tài)測試系統(tǒng)用于氣體傳感性能的檢查。在試驗過程中，負(fù)載電阻與一系列的氣體傳感器相連。在Ni- Cr合金線圈上提供加熱電壓加熱的氣體傳感器。氣體傳感器的工作溫度通過改變加熱電壓調(diào)整，因為每個加熱電壓有對應(yīng)的工作溫度。傳感器的氣體反應(yīng)定義為S = Ra / Rg，Ra和Rg分別表示在空氣中和測試氣體中的電阻。響應(yīng)或恢復(fù)時間可表示為供應(yīng)或切斷氣體之后傳感器的輸出在達(dá)到90%時所用的時間。圖1。氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。3. 結(jié)果與討論3.1. 結(jié)構(gòu)與形態(tài)SnO2和多孔Al2O3樣品的形貌分別利用透射電鏡研究，如圖.2

9、和3。從SnO2的TEM圖像（圖2），我們可以看到，它具有粒子的聚集，從而形成的大量介觀孔。圖3表明，介孔氧化鋁作為引進(jìn)P123后存在的平行六面體。SEM照片SnO2粉末圖4也表明存在許多毛孔堆積的SnO2顆粒?；谶@些觀察，我們推測，介觀孔可以提供更多的氣體通道提高運(yùn)輸氣體的效率，這是氣體傳感一個有利的特征。 圖2。對SnO2的顯像。 圖3。對多孔氧化鋁的顯像。圖4。SnO2的掃描電鏡圖像氮吸附等溫線曲線和焙燒溫度為500C時的多孔氧化鋁的孔徑分布如圖5所示。在Al2O3樣品的吸附等溫線在P / P0 軸的0.450.75區(qū)間中表現(xiàn)出磁滯回線，這與通過毛孔冷凝來填充和排空細(xì)管相關(guān)。這清楚地表

10、明使Al2O3樣品孔隙率大的紋理。的對Al2O3樣品的孔徑分布顯示一個尖銳的峰出現(xiàn)在孔徑范圍27 nm，其最高值在5 nm。多孔氧化鋁樣品的BET比表面積的價值計算是277平方米/克。我們認(rèn)為正是由于有適當(dāng)?shù)目讖?，R134a碎片才能通過多孔氧化鋁層到達(dá)到SnO2層. 圖5。氮吸附等溫線和相應(yīng)的孔隙大小分布(嵌入)的多孔氧化鋁退火500C。（橫，相對壓力 縱，吸附量）3.2。氣敏性能相比之下,一些做平行實(shí)驗。調(diào)查的影響Cl和pH值對檢測R134a,SnO2的沉淀在不同pH值在準(zhǔn)備通過控制NH3水的添加量。我們得到的結(jié)論是,最佳的pH值是3,因為響應(yīng)對R134a pH = 3時可以達(dá)到最大的價值。

11、然后,SnO2樣本被去離子水清洗去除Cl(直到?jīng)]有出現(xiàn)白色沉淀后添加硝酸)。圖6顯示了響應(yīng)100 ppm R134a SnO2有或沒有Cl。沒有包含我們觀察到SnO2 Cl有更高的反應(yīng)比SnO2含Cl;兩個兩個系列的SnO2獲得在pH = 3最大的響應(yīng)。因此,我們準(zhǔn)備SnO2 pH = 3,然后洗除去Cl之前去離子水以下測量。此外,純的SnO2單層膜低應(yīng)對R134a,這意味著它是不適合R134a檢測,需要進(jìn)一步的改善。改進(jìn)的響應(yīng)對R134a SnO2單層膜,五大系列的傳感器被設(shè)計為進(jìn)一步調(diào)查。第一個是SnO2單層膜含有不同的貴金屬。表1所示的結(jié)果表明,加載非盟、Ag)或Pt增強(qiáng)R134a響應(yīng)單

12、SnO2薄膜。Au-loaded SnO2顯示了最大的響應(yīng)。第二個來自SnO2機(jī)械攪拌和加載氧化鋁粉末。表1所示的結(jié)果表明,加載非盟、Ag)或Pt增強(qiáng)R134a響應(yīng)單SnO2薄膜。Au-loaded SnO2顯示了最大的響應(yīng)。第二個來自SnO2機(jī)械攪拌和加載氧化鋁粉末。表1所示的結(jié)果表明,加載非盟、Ag)或Pt增強(qiáng)R134a響應(yīng)單SnO2薄膜。Au-loaded SnO2顯示了最大的響應(yīng)。第二個來自SnO2機(jī)械攪拌和加載氧化鋁粉末。結(jié)果(表1)表明,SnO2 /氧化鋁(Au)雙層膜之間的最大響應(yīng)給膜結(jié)構(gòu)特征直到現(xiàn)在。四是SnO2不同貴金屬載荷和氧化鋁涂層。結(jié)果(表1)顯示,SnO2(Au)/氧

13、化鋁具有較大的響應(yīng)比以前研究傳感器。最后一個牽涉到不同的貴金屬SnO2涂上不同的貴金屬loaded-Al2O3加載。結(jié)果(表1)表明,SnO2(Au)/氧化鋁(Au)最大的整體反應(yīng);對R134a的響應(yīng)值在100 ppm達(dá)到高達(dá)8.7?？磥砑虞d非盟在氧化鋁提高傳感膜外R134a分解的催化活性。添加非盟SnO2可能增強(qiáng)應(yīng)對R134a的碎片SnO2傳感層。傳感層的合作和催化涂層給R134a最大的氣體反應(yīng)。相比之下,傳感器的響應(yīng)由SnO2(Au)/氧化鋁(Au)雙層膜制成的八倍,卸載SnO2單層膜。圖6。響應(yīng)和不使用Cl 100 ppm R134a SnO2在不同pH值和響應(yīng)100 ppm R134a

14、四種傳感器在不同工作溫度(插圖)表1各種傳感器的反應(yīng)對100 ppm R134a論文中提到的。100 ppm R134a的反應(yīng)不同種類的傳感器在不同工作溫度顯示在圖6:(I)SnO2單層薄膜傳感器;(2)機(jī)械混合物傳感器SnO2和氧化鋁;(3)SnO2 /氧化鋁雙層薄膜傳感器;(IV)SnO2(Au)/氧化鋁(Au)雙層薄膜傳感器。結(jié)果表明,氣體傳感器都達(dá)到最高響應(yīng)在350C,所以我們選擇350C作為一個最佳的工作溫度。圖7顯示了一個基于SnO2傳感器的響應(yīng)和恢復(fù)曲線(Au)/氧化鋁R134a的不同濃度下(Au)。根據(jù)計算公式,響應(yīng)和恢復(fù)時間都很短,分別為9和11年代。SnO2的氣體響應(yīng)的變化

15、(Au)/氧化鋁(Au)觀察到隨著R134a濃度的增加在一個大的探測范圍5 - 1000 ppm。S SnO2的穩(wěn)定性(Au)/氧化鋁(Au)傳感器顯示在圖8表明傳感器的反應(yīng)沒有明顯退化后暴露在100 ppm R134a 60天。穩(wěn)定的響應(yīng)值表明,傳感器基于SnO2(Au)/氧化鋁(Au)展品高長期穩(wěn)定。SnO2的反應(yīng)(Au)/氧化鋁(Au)傳感器對不同氣體在100 ppm是圖9所示。結(jié)果表明,應(yīng)對R134a遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于,二氧化碳,甲烷,Cl2,有限公司,NO2,NH3、硫化氫和H2,但CH3COCH3的反應(yīng)和CH3CH2OH R134a的比。因此,我們得出這樣一個結(jié)論,傳感器有一個公平的選擇性,

16、但有些問題與幾個干擾(乙醇、丙酮等)仍然存在。圖7。反應(yīng)和恢復(fù)曲線SnO2(Au)/氧化鋁(Au)R134a在不同濃度和反應(yīng)和R134a的濃度之間的關(guān)系(插圖)。圖8。SnO2的穩(wěn)定性(Au)/氧化鋁100 ppm R134a(Au)。、圖9?；貞?yīng)的SnO2(Au)/氧化鋁(Au)對不同氣體在100 ppm?？傊?SnO2的傳感器基于雙層膜(Au)/氧化鋁(Au)顯示了R134a滿意的傳感性能檢測。它有前途的前景在監(jiān)測R134a逃的泄漏和集中在制冷劑的生產(chǎn)和應(yīng)用。3.3。R134a氣敏機(jī)理SnO2是一種n型半導(dǎo)體,電阻的變化與表面上氧氣的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)傳感器暴露在空氣中,氧氣是物理和化學(xué)吸附

17、表面的SnO2在O2等不同形式,O2 2O2。electron-depleted表面區(qū)域,由氧氣吸附物誘導(dǎo)SnO2表面,因此導(dǎo)致表面勢壘的增加和傳感器電阻18。由氧化鋁涂層R134a的傳感機(jī)制可以建議如下。氧化鋁涂層的作用是通過打破C-F減少R134a的穩(wěn)定債券,形成一個協(xié)調(diào)CH2FCF2···F···氧化鋁,導(dǎo)致R134a分子的分裂。這進(jìn)一步促進(jìn)R134a產(chǎn)品分解的反應(yīng)與表面化學(xué)吸附氧SnO2內(nèi)層,導(dǎo)致對R134a增強(qiáng)反應(yīng)。鍵能數(shù)據(jù)(C-F 485 kJ /摩爾;Al-O,585焦每摩爾,Al-F,665焦每摩爾)在熱力學(xué)也同意以上

18、聲明,因為這兩個原子之間的鍵將強(qiáng)與鍵能的增加數(shù)據(jù)。我們假設(shè)當(dāng)盟被添加到材料、納米損耗地區(qū)將形成在非盟粒子,以及非盟的氧化態(tài)的改變伴隨氧氣吸附和解吸的調(diào)制將導(dǎo)致nano-Schottky壁壘,導(dǎo)致增加的響應(yīng)19。氧化鋁涂層的作用提出以上支持以下實(shí)驗。兩種類型的SnO2和氧化鋁樣品準(zhǔn)備在不同在350 C煅燒氣氛。一個是R134a氛圍,另一種是空氣氣氛。紅外光譜譜圖10所示顯示煅燒前后無顯著差異SnO2在350C R134a,因為這顯示峰值4000 - 3500厘米1的范圍屬于水,和峰值1000 - 500厘米1是Sn-O的債券。然而,紅外光譜譜圖11所示演示了一個明顯的變化500 - 1000厘米1煅燒氧化鋁在之前和之后350年R134a下C。這種變化可能是由于從Al-O Al-F轉(zhuǎn)換。驗證假設(shè),我們進(jìn)行了一次通過原位XRD比較實(shí)驗。之前