Y沸石改善SnO2气体传感器性能的研究*

黄庆盼,孙炎辉,2,赵梓尧,王小风,王 兢*

(1.大连理工大学电子与信息工程学部,辽宁 大连 116023;2.大连民族大学信息与通信工程学院,辽宁 大连 116600;3.大连理工大学盘锦校区基础部,辽宁 盘锦 124000)

Y沸石改善SnO2气体传感器性能的研究*

黄庆盼1,孙炎辉1,2,赵梓尧1,王小风3,王 兢1*

(1.大连理工大学电子与信息工程学部,辽宁 大连 116023;2.大连民族大学信息与通信工程学院,辽宁 大连 116600;3.大连理工大学盘锦校区基础部,辽宁 盘锦 124000)

为了改善气体传感器的敏感性能,分别采用SnO2外涂Y沸石的涂覆法和Y沸石与SnO2混合法,用Y沸石对SnO2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/SnO2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SnO2相比,Y沸石与SnO2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SnO2气敏特性改善的机理。

气体传感器;Y-沸石;SnO2;敏感性能

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,SnO2、ZnO等半导体材料作为敏感材料广泛用于气体传感器[5-7],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SnO2敏感性能方面,Leite[8]用Nb2O5添加剂来控制SnO2材料的尺寸,此方法能有效缩减SnO2传感器的响应时间。Lim[9]在合成SnO2材料过程中加入Pb,能有效提高SnO2传感器对CH4、C2H6和CO的响应灵敏度。陈翔宇等[10]利用Sb掺杂提高SnO2气体传感器响应值,6%Sb掺杂使SnO2基传感器对0.1%H2的最佳响应值从115 mV提高到435 mV,其机理认为Sb掺杂降低了SnO2气敏材料电阻,从而提高SnO2传感器的响应值。陈伟根等[11]采用CuO掺杂SnO2后形成许多p-n结,从而使CuO-SnO2复合材料气体传感器对H2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[12-16]。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[17]。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]。Vilaseca等人将A-型沸石覆盖在掺杂Pd的SnO2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]。Varsani 等人用沸石改性后的WO3传感器有效地提高了对NO2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-型沸石涉及较少。本文分别采用涂覆法和直接混合法,用Y沸石的催化吸附及筛选功能改善SnO2气体传感器的敏感性能,并初步讨论了Y沸石对SnO2气敏性能的影响的机理。

图1 陶瓷管气敏元件结构示意图

1 实验

实验中所用Y沸石购于天津南化催化剂有限公司,其硅铝比Si/Al=20,粒径为1 μm。SnO2材料平均粒径为50 nm。实验中,先将Y沸石粉体置于马弗炉中550 ℃煅烧5 h,升温速度为5 ℃/min,以除去沸石孔道中的水分和有机杂质。

SnO2气敏元件制作:SnO2材料经研磨成糊状后,均匀涂覆在带有铂金电极的陶瓷管上,在马弗炉中400 ℃煅烧2 h,升温速度为2 ℃/min。图1给出旁热式陶瓷管气敏元件结构示意图。

涂覆法制备Y沸石/SnO2气敏元件:将煅烧后的Y沸石研磨成糊状后,均匀涂覆在制备好的SnO2气敏元件表面,以2 ℃/min升温速度升温到400 ℃,煅烧2 h。涂覆法制得的Y沸石/SnO2气敏元件标记为Y/S。

直接混合法制备Y沸石/SnO2复合材料气敏元件:分别将Y沸石和SnO2按照质量比为1∶1,1∶2,1∶4,1∶6进行混合,加入4 mL去离子水,在室温下磁力搅拌3 h。将搅拌后的溶液在燥箱中蒸干,干燥温度100 ℃,干燥1 h,制成Y∶SnO2(1∶1,1∶2,1∶4,1∶6)复合材料。然后将复合材料均匀地涂覆在陶瓷管表面,制成Y沸石/SnO2复合材料气敏元件。按照Y∶SnO2质量比,将气敏元件分别标记为:Y1_S1,Y1_S2,Y1_S4,Y1_S6。

采用静态配气系统对气敏元件进行气敏测试。敏感元件对气体的响应值(Response)定义为元件在空气中的电阻值Ra与在待测气体中电阻值Rg之比:

Response=Ra/Rg

(1)

2 结果与讨论

2.1 材料表征分析

图2给出混合法制备的不同质量比Y沸石和SnO2复合材料的XRD图谱。可以看出,与SnO2和Y沸石图谱相比,复合材料主要表现出SnO2的结构特性。2θ在26.5、33.8、51.7和54.7处分别出现了SnO2的特征峰,说明SnO2与Y沸石混合后,Y沸石并没有破坏SnO2的晶格结构。

图2 不同质量比复合材料的XRD图谱

图3(a)～(d)分别给出混合法制备的Y1_S1、Y1_S2、Y1_S4、Y1_S6 4种复合材料的SEM图。可以看出,大颗粒的Y沸石与小颗粒的SnO2之间基本均匀分布;并且随着SnO2比例的增加,SnO2所占面积比例增大。

图4为直接混合方法制备材料的EDX能谱,图4(a)～(d)分别为Y沸石与SnO2质量比为1∶1、1∶2、1∶4、1∶6材料的能谱图。4种不同比例材料的能谱图中都出现Si、Al、O、Sn的峰,说明直接混合法成功引入了Y沸石(SiO2和Al2O3的化合物)。另外可以看出,随着SnO2比例的增大,其Sn的峰也随之增高。

图3 不同比例SnO2与Y沸石复合的SEM图

图4 直接混合法材料的EDX能谱图

图5为经过涂覆法(Y/S)和直接混合法(Y_S)两种不同复合方式后复合材料在空气中的电阻。SnO2、Y/S、Y1_S1、Y1_S2、Y1_S4、Y1_S6材料的电阻分别为:0.5、23、31 000、22 000、8 500、5 300 kΩ。直接混合方式制备的复合材料(Y_S)的电阻要远大于纯SnO2和涂覆法复合材料(Y/S)的电阻。分析其原因,SnO2与Y沸石直接混合的材料中,由于Y沸石是绝缘体,随着沸石含量的增加,其电阻值也增大。而涂覆法制备的元件中,SnO2材料直接与电极接触,Y沸石在SnO2的外侧,只会有少量的Y沸石穿过SnO2与电极接触,因此涂覆法制备元件(Y_S)的电阻小。

图5 涂覆法和混合法制备的元件以及SnO2元件在空气中的电阻

图6 气敏元件在不同温度下对10×10-6丙酮响应值

2.2 气敏特性

半导体气敏材料在不同工作温度下对气体的响应值也会有所不同,即存在一个气敏元件的最佳工作温度。图6(a)给出在不同温度下纯SnO2与涂覆法制备的Y/S两种气敏元件对10×10-6丙酮气体的响应值。可以看出,两种元件的最佳工作温度都是300 ℃。与SnO2相比,Y/S外层涂覆的沸石对其工作温度并无影响。这可能是因为Y/S元件中与陶瓷管上电极接触的全部是SnO2,因此Y/S表现出与纯SnO2元件相同的最佳工作温度。图6(b)给出不同质量比混合的复合材料在不同温度下对10×106丙酮气体的响应值。可以看出,Y1_S1和Y1_S2元件的最佳工作温度为350 ℃,Y1_S4和Y1_S6元件的最佳工作温度为325 ℃。即混合材料中Y沸石所占比例增高时,其工作温度也随之增高。与涂覆法制备的Y/S元件相比,不同质量比直接混合材料的最佳工作温度有所提高。分析其原因,在直接混合的材料中,Y沸石和SnO2是相间分布,两者同时与电极接触,而纯SnO2和Y/S中只有纯SnO2与电极直接接触。由于纯SnO2电阻远小于Y沸石,因此不同质量比直接混合的材料工作温度相对较高。Ward[36]研究表明羟基酸组在Y沸石催化作用中占主要地位,而在350 ℃时,Y沸石中羟基组达到最大值。因此在有Y沸石参与的复合材料对气体的吸附中,最佳工作温度会高于纯SnO2,而且Y沸石比例越大,工作温度越接近350 ℃。

图7给出SnO2、涂覆法制备的Y/S气敏元件、不同质量比混合法制备的Y_S气敏元件在最佳工作温度下分别对10×10-6乙醇、甲醇、甲醛、丙酮、苯和氨气6种VOC气体的响应值。由图可看出:①与纯SnO2元件相比,涂覆法制备的Y/S气敏元件(图5中黄色柱)对乙醇响应明显低于SnO2,而对丙酮的响应明显高于SnO2,说明Y沸石涂层抑制了SnO2对乙醇的响应。因此,Y沸石涂覆在SnO2表面在检测丙酮气体时排除乙醇的干扰起到良好的效果,增强了气敏元件检测丙酮时的选择性和抗干扰性;②涂覆Y沸石的Y/S气敏元件及不同质量比混合的Y_S气敏元件对丙酮气体的响应都增大。说明Y沸石涂层促进了SnO2对丙酮的响应;③对甲醇和甲醛气体的响应值,Y/S元件和Y1_S1、Y1_S2元件要高于Y1_S4和Y1_S6元件;④6种气敏元件对氨水和苯的响应都很低,因此,氨水和苯在这些气敏元件检测乙醇、丙酮、甲醇和甲醛时的干扰性较小。

图7 各元件对10×10-6不同VOC气体的响应值

图8给出最佳工作温度下由涂覆法制备的Y/S气敏元件和由混合法制备的Y1_S2元件对不同浓度丙酮的响应特性曲线。Y/S和Y1_S2气敏元件对低浓度丙酮(1×10-6)响应值分别为2.5和2.3,对50×10-6浓度丙酮的响应值分别为14和26.3。在1×10-6～10×10-6浓度下,两类Y沸石/SnO2气敏元件对丙酮的响应值差别不大,但在20×10-6～50×10-6浓度时,直接混合法制备的Y沸石/SnO2气敏元件(Y1_S2)对丙酮的响应值明显高于涂覆方式制备的元件(Y/S),Y1_S2对50×10-6丙酮的响应值(26.3)是直接混合的方式是涂覆方式(14.0)的2倍左右。在1×10-6～50×10-6浓度范围内,Y1_S2气敏元件对丙酮响应的灵敏度(曲线的斜率)更大。

图8 Y/S和Y1_S2气敏元件对不同浓度丙酮的响应值

图9给出由直接混合法(Y1_S2)和涂覆法(Y/S)制备的气敏元件对20×10-6丙酮的响应-恢复特性曲线。由图可看出,Y1_S2的响应时间(～85 s)要大于Y/S的响应时间(～30 s)。分析其原因,一是Y1_S2元件对20×10-6丙酮的响应值(13.8)高于Y/S元件(8.3),二是由于Y沸石具有较好的吸附作用,Y/S元件中,Y沸石外涂层全面吸附丙酮气体分子并输运到SnO2表面,响应时间较短;而混合材料Y1_S2裸露在最外层的Y沸石相对少于Y/S气敏元件,在相同时间内吸附的丙酮气体分子略少,响应时间长一些。两种元件对20×10-6丙酮的恢复时间相近,约为50 s。

图9 Y1_S2和Y/S气敏元件对20×10-6丙酮的响应-恢复特性曲线

2.3 敏感机理分析

Y沸石具有筛选、吸附、催化等性能。Y沸石孔径为0.74 nm,实验中所测VOC气体直径均小于Y沸石孔径(乙醇0.45 nm,甲醛0.24 nm,甲醇0.43 nm,丙酮0.48 nm)。因此在Y沸石/SnO2气敏元件体系中,Y沸石并不能通过分子筛的方式直接滤除上述有机分子,筛选功能可能通过摩擦、阻挡等方式体现。而沸石的吸附、催化作用起作用。实验中所测VOC气体均为极性气体分子,其介电常数大小分别为:乙醇24.5,甲醇32.6,甲醛23,丙酮27,因此都会被Y沸石所吸附。因为气体分子极性大小不同,Y沸石的吸引力也会有所不同[37]。

不同气体在Y沸石孔道中被催化的产物也会有所不同,Inaba[38]指出,Y沸石催化乙醇的产物中乙烯产量达到96.21%wt。乙烯是非极性分子,Y沸石对乙烯产生排斥作用,因此乙醇催化的产物很难到达SnO2表面,只有少量乙醇通过晶间空隙到达SnO2表面,所以Y/S对乙醇响应值较低。Haw[39]研究认为甲醇在沸石中会被催化产生乙烯、丙烯、丙烷等有机气体,并且丙烯含量起到主导地位。Dumitriu[40]指出,甲醛在沸石中会被催化成丙烯醛。Hathaway[41]研究表明丙酮在Y沸石中被烷基化成甲基乙烯基酮和甲基乙基酮。除了乙醇,其他3种气体在Y沸石中的催化产物都是极性分子,不会被Y沸石所排斥,因此本实验中在SnO2外涂覆Y沸石制备的Y/S气敏元件对甲醇、甲醛、丙酮的响应值会有不同程度的提高。

将Y沸石与SnO2直接混合制备的几种Y_S材料对乙醇的响应值都略有减小,抑制乙醇的效果明显不如Y/S材料。这是因为在直接混合的材料中,Y沸石和SnO2都同时与乙醇接触,部分乙醇直接被Y沸石吸附并催化,使到达SnO2表面的乙醇减少;而涂覆法中,Y沸石覆盖着SnO2,Y沸石催化乙醇的产物被排斥,并不能到达SnO2表面,只能有少量的乙醇通过晶粒间隙到达SnO2表面。对乙醇的响应值高低的顺序为:SnO2气敏元件>Y沸石与SnO2直接混合的Y_S气敏元件>Y沸石涂覆在SnO2外侧的Y/S气敏元件。

对于不同比例的复合材料性能(图7)分析如下。Y沸石∶SnO2(质量比)为:1∶1,1∶2,1∶4,1∶6这4种不同比例的材料中,比例为1∶2的元件对各气体的响应值最高。Y沸石具有吸附、催化、筛选等多种性能,在与氧化物构成复合材料后,当遇到待测气体时,敏感性能是沸石的多种性能综合起作用的结果。Y沸石比例适当时,Y沸石和SnO2相互作用的效果最好,元件才会表现出最佳的气敏性能。当复合材料中Y沸石含量高时,可以吸附、催化更多的目标气体,并将产物输送给SnO2,但由于SnO2含量少,Y沸石电阻占据复合材料电阻的主导地位,SnO2电阻的变化并不会引起复合材料电阻发生明显变化,导致元件对目标气体的响应值也较低。

3 结论

分别采用Y沸石涂覆在SnO2表面以及把Y沸石和SnO2按照不同质量比混合的方法,对SnO2气敏元件性能进行改善。检测了涂覆法元件和直接混合法元件对多种VOC气体的响应,并将其与纯SnO2传感器性能进行了比较。结果表明,涂覆法制备的气敏元件对乙醇的响应降低明显,而对丙酮响应明显增大,说明涂覆法制备的气敏元件具有抑制乙醇、提高对丙酮响应的效果,增强了气敏元件检测丙酮时的选择性和抗干扰能力。混合法制备的不同比例元件中,沸石与SnO2质量比例为1∶2时的元件对乙醇、甲醇、甲醛、丙酮的响应值最高,改善SnO2元件响应值效果最好。两种Y沸石引入的制备方法都使SnO2气敏元件对丙酮的响应提高,但是,直接混合的方法并不能有效降低对乙醇的响应,因此在元件选择性方面,涂覆法好于直接混合方法制备的元件。从被检测气体分子直径和极性两个角度分析了Y沸石在改善SnO2气敏性能中的筛选、催化吸附等作用的机理。

[1] Judith Vijaya J,Kennedy L J,Sekaran G,et al. Preparation and VOC Gas Sensing Properties of Sr(Ⅱ)-Added Copper Aluminate Spinel Composites[J]. Sensors and Actuators B:Chemical,2008,134(2):604-612.

[2] Kampa M,Castanas E. Human Health Effects of Air Pollution[J]. Environmental Pollution,2008,151(2):362-367.

[3] Tokumura M,Nakajima R,Znad H T,et al. Chemical Absorption Process for Degradation of VOC Gas Using Heterogeneous Gas-Liquid Photocatalytic Oxidation:Toluene Degradation by Photo-Fenton Reaction[J]. Chemosphere,2008,73(5):768-775.

[4] 乔俏,王兢,黄庆盼,等. PdO纳米材料制备及室温甲醛气敏特性研究[J]. 传感技术学报,2016,29(5):642-646.

[5] Srivastava A K. Detection of volatile organic compounds(VOCs)using SnO2gas-sensor array and artificial neural network[J]. Sensors and Actuators B:Chemical,2003,96(1-2):24-37.

[6] 郑文玮,谢长生,张国柱. Mg～(2+)离子表面修饰ZnO传感器阵列的乙醚敏感机理研究[J]. 传感技术学报,2016,29(8):1133-1139.

[7] 孟占昆,潘国峰,侯庆忠. 基于Al掺杂ZnO的丙酮气敏传感器以及紫外光激发对其气敏性能的影响[J]. 传感技术学报,2016,29(6):797-801.

[8] Leite E R,Weber I T,Longo E,et al. A New Method to Control Particle Size and Particle Size Distribution of SnO2Nanoparticles for Gas Sensor Applications[J]. Advanced Materials,2000,12(13):965-968.

[9] Lim C B,Oh S. Microstructure Evolution and Gas Sensitivities of Pd-Doped SnO2-Based Sensor Prepared by Three Different Catalyst-Addition Processes[J]. Sensors and Actuators B:Chemical,1996,30(3):223-231.

[10] 陈翔宇,陈克城,詹自力,等. 利用Sb掺杂提高SnO2基热线型气体传感器响应值[J]. 化工新型材料,2017(2):204-206.

[11] 陈伟根,李倩竹,徐苓娜,等. CuO-SnO2纳米传感器的H2检测特性研究[J]. 仪器仪表学报,2013(10):2244-2250.

[12] Duta A,Visa M. Simultaneous Removal of Two Industrial Dyes by Adsorption and Photocatalysis on a Fly-Ash-TiO2Composite[J]. Journal of Photochemistry and Photobiology A:Chemistry,2015,306:21-30.

[13] Reiß S,Schönauer D,Hagen G,et al. Monitoring the Ammonia Loading of Zeolite-Based Ammonia SCR Catalysts by a Microwave Method[J]. Chemical Engineering and Technology,2011,34(5):791-796.

[14] Shah R,Payne M C,Lee M H,et al. Understanding the Catalytic Behavior of Zeolites:A First-Principles Study of the Adsorption of Methanol[J]. Science,1996,271(5254):1395-1397.

[15] Visa M,Andronic L,Duta A. Fly Ash-TiO2Nanocomposite Material for Multi-Pollutants Wastewater Treatment[J]. Journal of Environmental Management,2015,150:336-343.

[16] Yilmaz B,Müller U. Catalytic Applications of Zeolites in Chemical Industry[J]. Topics in Catalysis,2009,52(6):888-895.

[17] 郭鹏. TiO2/ZSM-5复合光催化剂的制备及性能研究[D]. 大连:大连理工大学,2010.

[18] Du S,Li F,Sun Q,et al. A Green Surfactant-Assisted Synthesis of Hierarchical TS-1 Zeolites with Excellent Catalytic Properties for Oxidative Desulfurization[J]. Chemical Communications,2016,52(16):3368-3371.

[19] Li H,Fang Z,Luo J,et al. Direct Conversion of Biomass Components to the Biofuel Methyl Levulinate Catalyzed by Acid-Base Bifunctional Zirconia-Zeolites[J]. Applied Catalysis B:Environmental,2017,200:182-191.

[20] Aoki K,Tuan V A,Falconer J L,et al. Gas Permeation Properties of Ion-Exchanged ZSM-5 Zeolite Membranes[J]. Microporous and Mesoporous Materials,2000,39(3):485-492.

[21] Hasegawa Y,Watanabe K,Kusakabe K,et al. The Separation of CO2Using Y-Type Zeolite Membranes Ion-Exchanged with Alkali Metal Cations[J]. Separation and Purification Technology,2001,22-23:319-325.

[22] Mann D P,Paraskeva T,Pratt K F E,et al. Metal Oxide Semiconductor Gas Sensors Utilizing a Cr-Zeolite Catalytic Layer for Improved Selectivity[J]. Measurement Science and Technology,2005,16(5):1193.

[23] Sahner K,Hagen G,Schönauer D,et al. Zeolites—Versatile Materials for Gas Sensors[J]. Solid State Ionics,2008,179(40):2416-2423.

[24] Ning X,Zhao C,Shi F,et al. Zeolite Thin Film-Coated Fiber Sensors Based on Fabry-Perot Interferometer for Detection of Chemical Vapors[J]. Photonic Sensors,2015,5(2):137-141.

[25] Ning X,Zhao C,Shi F,et al. Multipoint Chemical Vapor Measurement by Zeolite Thin Film-Coated Fresnel Reflection-Based Fiber Sensors with an Array-Waveguide Grating[J]. Sensors and Actuators B:Chemical,2016,227:533-538.

[26] Ning X,Zhao C L,Yang J,et al. Zeolite Thin Film-Coated Spherical End-Face Fiber Sensors for Detection of Trace Organic Vapors[J]. Optics Communications,2016,364:55-59.

[27] Tian H,Fan H,Li M,et al. Zeolitic Imidazolate Framework Coated ZnO Nanorods as Molecular Sieving to Improve Selectivity of Formaldehyde Gas Sensor[J]. Acs Sensors,2016,1(3):243-250.

[28] Wang J W,Li N X,Li Z R,et al. Preparation and Gas Separation Properties of Zeolitic Imidazolate Frameworks-8(ZIF-8)Membranes Supported on Silicon Nitride Ceramic Hollow Fibers[J]. Ceramics International,2016,42(7):8949-8954.

[29] Cheng X W,Meng Q Y,Chen J Y,et al. A Facile Route to Synthesize Mesoporous ZSM-5 Zeolite Incorporating High ZnO Loading in Mesopores[J]. Microporous and Mesoporous Materials,2012,153:198-203.

[30] Dong J,Tian T,Ren L,et al. CuO Nanoparticles Incorporated in Hierarchical MFI Zeolite as Highly Active Electrocatalyst for Non-Enzymatic Glucose Sensing[J]. Colloids and Surfaces B:Biointerfaces,2015,125:206-212.

[31] Vilaseca M,Coronas J,Cirera A,et al. Development and Application of Micromachined Pd/SnO2Gas Sensors with Zeolite Coatings[J]. Sensors and Actuators B:Chemical,2008,133(2):435-441.

[32] Huang H,Zhou J,Chen S,et al. A Highly Sensitive QCM Sensor Coated with Ag+-ZSM-5 Film for Medical Diagnosis[J]. Sensors and Actuators B:Chemical,2004,101(3):316-321.

[33] Varsani P,Afonja A,Williams D E,et al. Zeolite-Modified WO3Gas Sensors-Enhanced Detection of NO2[J]. Sensors and Actuators B:Chemical,2011,160(1):475-482.

[34] Moos R,Müller R,Plog C,et al. Selective Ammonia Exhaust Gas Sensor for Automotive Applications[J]. Sensors and Actuators B:Chemical,2002,83(1-3):181-189.

[35] 杨涓涓,任楠,周嘉,等. 基于13X型沸石分子筛的类神经毒气传感器[J]. 传感器与微系统,2008(2):86-88,92.

[36] Ward J W. The Nature of Active Sites on Zeolites[J]. Journal of Catalysis,1967,9(3):225-236.

[37] Weitkampj. Zeolites and Catalysis[J]. Solid State Ionies,2000,131(1):175-18.

[38] Inaba M,Murata K,Saito M,et al. Ethanol Conversion to Aromatic Hydrocarbons Over Several Zeolite Catalysts[J]. Reaction Kinetics and Catalysis Letters,2006,88(1):135-141.

[39] Haw J F,Marcus D M. Well-Defined(Supra)Molecular Structures in Zeolite Methanol-to-Olefin Catalysis[J]. Topics in Catalysis,2005,34(1):41-48.

[40] Dumitriu E,Hulea V,Bilba N,et al. Synthesis of Acrolein by Vapor Phase Condensation of Formaldehyde and Acetaldehyde Over Oxides Loaded Zeolites[J]. Journal of Molecular Catalysis,1993,79(1):175-185.

[41] Hathaway P E,Davis M E. Base Catalysis by Alkali Modified Zeolites[J]. Journal of Catalysis,1989,119(2):497-507.

ImprovementofSnO2GasSensingPropertiesbyUsingY-Zeolite*

HUANGQingpan1,SUNYanhui1,2,ZHAOZiyao1,WANGXiaofeng3,WANGJing1*

(1.Faculty of Electronic Information and Electrical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian Liaoning 116023,China;2.College of Information and Communication Engineering,Dalian Minzu University,Dalian Liaoning 116600,China;3.School of Mathematical and Physical Sciences,Panjin Campus,Dalian University of Technology,Panjin Liaoning 124000,China,)

In order to improve the sensitivity of the gas sensor,the SnO2gas sensor was modified with Y-zeolite by coating Y-zeolite on the surface of SnO2and mixing SnO2and Y-zeolite,respectively. The structure andsurface properties of the composites made by mixing SnO2and 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 SnO2gas sensor,the response value of the sensor made of mixing SnO2and Y-zeoliteto acetone increases,and to other gases are not change obviously. The response value of the sensor made of coating method increase to acetone,meanwhile decrease to ethanol vapor,indicating an inhibit act to ethanol.The mechanism of Y-zeoliteimprove the SnO2gas sensing properties was briefly analyzed.

gas sensor;Y-zeolite;SnO2;sensitive property

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.12.005

项目来源:国家自然科学基金项目(61574025,51602035)

2017-05-17修改日期2017-07-06

TP212.2

A

1004-1699(2017)12-1808-07

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;

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,wangjing@dlut.edu.cn。