多孔铁酸镧的制备及其气敏性质研究

赖小勇 马玉磊 杨庆凤

摘 要：本文通過溶胶凝胶方法并结合煅烧处理制备了一种多孔铁酸镧，并利用X射线粉末衍射（XRD），扫描电子显微镜（SEM），氮气等温物理吸附等表征手段对所制备材料进行了详细分析。结果表明：材料具有高的结晶度和丰富的孔隙结构，其孔隙尺寸为30nm左右。气敏性能测试结果表明多孔铁酸镧对乙醇具有较好的敏感度，高于对其他气体的敏感度表现出较好的选择性，在乙醇气体检测方面有潜在的应用。

关键词：多孔铁酸镧 气敏传感器 乙醇检测 溶胶凝胶

中图分类号：TB383.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）12（c）-0078-02

气体传感器在人们的生产生活中正扮演着越来越重要的角色。近年来，具有良好催化性的p型半导体气体传感器已经引起广泛关注，例如Co3O4[1]和NiO[2]等。铁酸镧（LaFeO3）作为典型的p型钙钛矿化合物半导体，其载流子通过改变价态从A位点跃迁到B位点以实现空穴的传导[3]，在光催化[4，5]等领域具有广泛的应用。乙醇作为常见化工原料，属于典型的挥发性有机污染物，因而及时地监控空气中乙醇气体的浓度变得尤其重要。LaFeO3也是制备乙醇气体传感器的材料之一，但是LaFeO3的乙醇传感器的性能表现并不十分理想。为了提高铁酸镧的气敏性能，前人已经做了许多改良的工作，例如用LaFeO3中的较低价态离子替换一部分La，进行A位掺杂[6]，抑或者取代Fe，进行B位上的掺杂[7]，其对乙醇气体的敏感性能取得了一定的提升，但是进一步改善其气敏性能仍然是十分必要的。

本文通过溶胶凝胶方法并结合煅烧处理制备了一种多孔铁酸镧，材料具有高的结晶度和丰富的孔隙结构，其孔隙尺寸为30nm左右。气敏性能测试结果表明多孔铁酸镧对乙醇具有较好的敏感度，高于对其他气体的敏感度，表现出较好的选择性，在乙醇气体检测方面有潜在的应用。

1 实验过程

首先，将一定量的硝酸镧、硝酸铁和柠檬酸溶解在少量去离子水中。柠檬酸相对于金属离子总数的比例为1.5∶1。加入蒸馏水使总体积达到50cm3。La3+与Fe3+的离子浓度为0.1mol·dm-3。然后，将反应体系置于60℃的水浴中，搅拌脱水，得到水溶胶。接着，在持续搅拌下加入无水乙醇，使凝胶均匀地分散。然后继续在60℃下加热以再次获得溶胶，即醇凝胶。重复该步骤3次，得含水量较少的醇凝胶。然后，将醇溶胶在110℃下真空干燥，并用玛瑙研钵研磨。最后，将产物放置在石英坩埚中，并在马弗炉中1℃/min升至700℃，然后在700℃下保温9h，得多孔铁酸镧。

2 结果与讨论

2.1 结构表征

前驱体未显示显著的衍射峰，暗示其无定形特性。煅烧之后产物的XRD图谱则显示了与标准铁酸镧一致的特征衍射峰，未出现像一些文献里报道的那样发现氧化铁、氧化镧之类的杂峰[8]，表明得了高结晶度、高纯度的铁酸镧材料。

图1为多孔铁酸镧前驱体（a）、（b）以及多孔铁酸镧（c）、（d）的场发射扫描电子显微镜图，从图中可以清晰地看到在煅烧之前（a）、（b）的颗粒都比较大而经过高温煅烧之后的产物（c）、（d）颗粒尺寸明显变小，可能与其高温发生收缩分解有关；经过煅烧颗粒表面产生了大量的孔（约为30nm），与孔径分布图中数据一致。经过查阅文献发现，孔是由于前驱体分解释放气体产生[8]。

2.2 气敏性质研究

图2（a）所呈现的为由多孔铁酸镧制备的气体传感器在250℃下对不同浓度乙醇气体的动态响应图，从图中可以看到，当通入低浓度乙醇气体如1ppm时，传感器仍有明显的响应，说明多孔铁酸镧气体传感器的检测下限很低，可以检测到环境中1ppm的乙醇气体。图2（b）为不同浓度乙醇气体下多孔铁酸镧的敏感度，当乙醇气体的浓度由100ppm升到200 ppm时，敏感度由64变为127，相应的变大了两倍。

3 结语

通过溶胶凝胶方法并结合煅烧处理制备出了具有多孔结构的铁酸镧，X射线衍射图表明其结构为正交钙钛矿化合物，并且没有出现杂相峰，氮气物理吸脱附曲线、孔径分布图以及场发射扫描电镜图表征了其微观形貌，证明孔结构的存在。对乙醇气体进行的一系列测试表明多孔铁酸镧对乙醇气体具有低至1ppm的检测下限、良好的敏感度（对200 ppm乙醇气体的响应为127）以及高的循环稳定性，是一种非常具有应用潜力的乙醇气体敏感材料。

参考文献

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