Y沸石改善SnO2气体传感器性能的研究

Y沸石改善SnO2气体传感器性能的研究 黄庆盼孙炎辉赵梓尧王小风王兢 大连理工大学电子与信息工程学部大连民族大学信 息与通信工程学院大连理工大学盘锦校区基础部 摘要 为了改善气体传感器的敏感性能，分别采用SnOz外涂Y沸石的涂覆法和Y沸石 与SnOz混合法，用Y沸石对SnOz气体传感器进行改性。用X-射线衍射XRD、 电子扫描显微镜SEM对混合法制备的Y沸石/SnOz复合材料的结构和表面进行 了表征与分析。将这两类敏感元件进行了 VOC气体的气敏测试。结果表明，与纯 SnC2相比，Y沸石与SnC2直接混合的复合材料提高了对丙酮的响应值，而对其他 气体响应值基本不变;涂覆法制备的气敏元件不仅提高对丙酮的响应值，而且减 小了对乙醇的响应值，对乙醇起到一定抑制作用。初步分析了 Y沸石对SnC2气 敏特性改善的机理。 关键词 气体传感器;丫-沸石;Sn02;敏感性能; 作者简介黄庆盼1990-，男，大连理工大学电子信息与电气工程学部，硕 士研究生，导师王兢教授，研究方向为半导体气体传感器； 作者简介王兢1955-，女，大连理工大学电子信息与电气工程学部，教授/ 博导，1981年在吉林大学半导体物理与半导体器件物理专业获理学硕士学位， 研究方向为半导体传感器及敏感材料，wangjingdlut. edu. cn。 收稿日期2017-05-17 基金国家自然科学基金项目61574025, 51602035 Improvement of Sn02 Gas Sensing Properties by Using Y-Zeolite HUANG Qingpan SUN Yanhui ZHAO Ziyao WANG Xiaofeng WANG Ting Faculty of Electronic Ination and Electrical Engineering, Dalian University of Technology; School of Mathematical and Physical Sciences, Panj in Campus, Dalian University of Technology; Abstract In order to improve the sensitivity of the gas sensor, the Sn02 gas sensor was modified with Y-zeolite by coating Y-zeolite on the surface of SnO2 and mixing Sn02 and Y-zeolite, respectively. The structure andsurface properties of the composites made by mixing Sn02 and Y-zeolite were characterized by using X-ray diffraction XRD and scanning electron microscopy SEM , respectively. Some VOC gases were tested by using these two types of sensors. The results show that compared with pure Sn02 gas sensor, the response value of the sensor made of mixing Sn02 and Y-zeoliteto acetone increases, and to other gases are not change obviously. The response value of the sensor made of coating increase to acetone, meanwhile decrease to ethanol vapor, indicating an inhibit act to ethanol. The mechanism of Y-zeol it eimprove the SnO2 gas sensing properties was briefly analyzed. Keyword gas sensor; Yzeolite; Sn02; sensitive property; Received 2017-05-17 VOC气体对人体危害极大［1-4］,对检测VOC气体的传感器性能要求也越来越高， Sn O2、Zn 0等半导体材料作为敏感材料广泛用于气体传感器匠Z1，但目前应用 的传感器的敏感性能还不能完全满足实际测试的要求，还有提高的必要和空间。 这些性能包括响应时间、响应值、工作温度、选择性、稳定性等。在半导体敏 感材料中掺杂或者与其他材料复合，是改善材料敏感性能的简单而有效的方法 之一，被广泛采用。在掺杂改善Sn。敏感性能方面，Leite也用NbzOs添加剂来 控制Sn O2材料的尺寸，此方法能有效缩减Sn O2传感器的响应时间。Lim皿在 合成Sn O2材料过程中加入Pb,能有效提高Sn O2传感器对CH、。2压和CO的响 应灵敏度。陈翔宇等顷利用Sb掺杂提高Sn O2气体传感器响应值，6Sb掺杂 使Sn O2基传感器对0. 1凡的最佳响应值从115 m V提高到435 m V,其机理认 为Sb掺杂降低了 Sn气敏材料电阻，从而提高Sn传感器的响应值。陈伟根 等［11］采用Cu 0掺杂Sn O2后形成许多p-n结，从而使Cu 0-Sn O2复合材料气 体传感器对凡表现出更高的响应灵敏度和更快的响应特性。 沸石材料具有独特的多孔和超笼结构，其筛选、吸附、催化等特性使其广泛应用 于材料、化工等领域［12T6］。沸石比表面积大，具有高效吸附性;不同类型的沸 石有不同大小的孔径和超笼，对分子的大小和形状有明显的择形筛选作用旦21。 同时沸石也可以与吸附到孔道中的物质进行反应，起到催化作用［18-19］。基于 沸石的众多特性，其发展前景受到广泛关注。近年来，将沸石作为敏感材料的涂 层来改善敏感材料的选择性方面的研究已经有报道［20-30］ oVilaseca等人将A- 型沸石覆盖在掺杂Pd的Sn Oz敏感材料能有效抑制CO, H2, CH4, C3H8,对乙醇却 保持了较高的响应值［31］。Huang等以Ag-ZSM-5为敏感材料制备的QCM传感器, 可对呼吸气体中的丙酮进行检测，作为诊断糖尿病的手段之一，最小检测浓度 小于1 ppm［32］ o Varsani等人用沸石改性后的WO3传感器有效地提高了对N02的 检测性能［33］。Moos等人用H-ZSM-5沸石制成的传感器是控制SCR系统和检测 氨泄漏的有效工具［34］。杨涓涓等［35］基于13X型分子筛膜传感器对DMMP的探 测有较好的灵敏度和选择性。 目前对于FMI ZSM-5型和A-型沸石在气体传感器方面应用的报道较多，而对 Y-