纳米Ag掺杂SnO2制备乙醇气敏元件的研究

张庞++梁鸿东++刘志宇++傅刚

摘 要：采用溶胶-凝胶法制备了掺纳米Sb和Ag的SnO2气敏材料，通过厚膜丝网印刷技术制备成SnO2气敏元件，测量了元件对乙醇、丙酮、甲醛和甲苯4种气体的气敏性能。测量结果表明，掺杂适量的Sb可以有效降低SnO2的电阻，提高灵敏度。未掺杂和掺杂Ag的元件在气体浓度为900×10-6时，以上4种气体的灵敏度分别为7.7、6.4、3.86、3.69和33.6、11.7、6.9、17.1。掺杂纳米Ag后，灵敏度对应地提升了336%、203%、79%和363%。

关键词：纳米Ag 灵敏度 SnO2气敏元件

中图分类号：TB38 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）09（b）-0042-03

纳米SnO2是目前使用最为广泛的气敏材料。改善SnO2气敏元件的灵敏度和选择性是当前备受关注的研究课题，其中添加掺杂剂是常用的方法[1-2]。该文首先制备了掺Sb的SnO2气敏材料，添加适量纳米Ag后采用制备了SnO2厚膜气敏元件，测量了元件对乙醇、丙酮、甲醛和甲苯4种气体的气敏性能。

1 实验

称取适量的SnCl4·5H2O、SbCl3和尿素一起溶于蒸馏水中，连续搅拌直至溶液呈无色透明状，90 ℃水浴一段时间后，用去离子水反复洗涤，直至溶液中滴加硝酸银溶液后无白色沉淀产生。加入氨水溶解凝胶，静置后放入恒温干燥箱中烘干[3]。烘干后的粉体加入1 wt%的硝酸银溶液，研磨均匀后在箱式电阻炉中650 ℃下保温30 min，得到掺Sb和掺Ag的SnO2气敏粉体。向粉体中加入少量粘接剂，充分球磨混合后调制成丝网印刷厚膜浆料，将浆料印于带有金电极的氧化铝基片上形成1 mm×1 mm的敏感层，在650 ℃烧结，基片背面的厚膜加热器加热电阻约为130 Ω。该文中共制备了两类元件，A为A1、A2和A3，分别为在SnO2掺入0.1 mol%Sb、0.3 mol%Sb、0.5 mol%Sb制备的元件；B为在A1中再掺入1 wt%硝酸银所制备的元件。用静态法测试元件的气敏性能。

2 结果与讨论

图1和图2分别为掺杂0.1 mol%Sb的SnO2气敏元件的SEM和XRD图，从中可以看出，粉体的晶粒为球形，晶粒大小约为25 nm；掺Sb的SnO2纳米材料与纯SnO2的晶相基本相符，没有出现其他晶相，说明掺入的锑离子进入SnO2晶格中取代了锡离子。

表1为不同的加热功率下A1、A2、A3元件电阻值。随着Sb掺杂量增加，SnO2气敏元件的电阻值迅速降低。说明Sb的掺杂可以有效降低SnO2气敏材料的电阻值。

图3（a）、（b）、（c）、（d）分别为元件A1、A2、A3在乙醇、丙酮、甲醛、甲苯4种气体的灵敏度曲线。可以看出，随着Sb含量的增加，元件的电阻值在下降，灵敏度也在下降，元件A1在4种气体中具有较高的灵敏度，说明Sb的掺杂虽然能有效降低SnO2气敏元件的电阻值，但过量的Sb掺杂会降低元件的靈敏度。

图4为B元件对乙醇、丙酮、甲醛和甲苯4种气体的灵敏度曲线。从图4中可以看出，在掺入纳米Ag后元件对4种气体的灵敏度相对于A类元件都有了提升。在气体浓度为900×10-6时，A1和B元件对4种气体的灵敏度分别为7.7、6.4、3.86、3.69和33.6、11.7、6.9、17.1。掺杂纳米Ag后，元件对乙醇的灵敏度提升了336%，丙酮的提升了83%，甲醛的提升了79%，甲苯提升了363%。

未掺杂纳米Ag的A1元件对乙醇和丙酮的灵敏度较高，对应的曲线比较接近，因此对气体的选择性不是很理想；但掺入纳米Ag后，在图4中B元件对乙醇的灵敏度提升了3倍多，对丙酮的灵敏度仅提升了不到1倍，说明掺入纳米Ag能抑制丙酮对乙醇的干扰，虽然甲苯的灵敏度也提升了3倍多，但和乙醇的灵敏度相比仍然较低。因此，在SnO2气敏材料中掺杂纳米Ag能制备出一种优良的乙醇传感器。

3 结语

在SnO2中掺入适量Sb可以有效降低材料的电阻值，但过量掺杂又会降低材料的灵敏度，当掺入0.1 mol%Sb时，SnO2气敏元件的电阻值适中，灵敏度也相对较高。在此基础上，掺入纳米Ag后，元件的灵敏度得到进一步提升，对乙醇的灵敏度提升了336%，对丙酮的提升了83%，在抑制了对丙酮气体灵敏度的同时，明显提升了对乙醇气体的灵敏度。因此，在SnO2气敏材料中掺杂纳米Ag是一种制备具有优良特性乙醇气体传感器的有效方法。

参考文献

[1] 侯振雨，李芸岭，李延方，等.Ag掺杂SnO2气敏元件性能的研究[J].化工新型材料，2015，43（1）：182-186.

[2] 高晓平，刘东妮，王运福，等.基于锑掺杂的高灵敏度纳米SnO2气体传感器[J].仪表技术与传感器，2009（S1）：148-149.

[3] 殷馨，任红鑫，王晨菲，等.新型锑掺杂二氧化锡纳米颗粒的水热合成[J].中国粉体技术，2015，21（1）：27-32.