气体传感性能及机理分析

图2.2.3 为采用三种不同的表面活性剂制备的气敏传感器在250 ℃下对5×10-5 C2H5OH 气体的气敏性能测试曲线。从图2.2.3 可以看出，采用三种活性剂PEG，HMT，CTAB 制备的ZnO 气敏传感器的灵敏度分别为22.6，7.1 和5.4，对应的响应恢复时间分别是6 s 和15 s、10 s 和18 s、12 s 和20 s。这就表明采用PEG 制备的分层花状结构的ZnO 具有最好的气敏性能，这归因于它减少了纳米片的团聚现象并具有很多的孔和间隙，所有的这些特征使得被检测气体能够快速而有效地接触到样品表面，从而提高了传感器的气敏性能。

为了解柠檬酸钠和PEG 对促进形成该分层花状结构形貌的作用，我们做了一系列的对比实验，如图2.2.4 所示。当溶液中只有乙酸锌和氢氧化钠时，我们发现样品是由一些相互粘连在一起的ZnO 纳米片组成的[图2.2.4（a）]，但是一旦添加柠檬酸钠，这些纳米片就会变得非常独立和分散[图2.12 （d）]。同样，当溶液中有乙酸锌、氢氧化钠和PEG 时，我们发现这些粘连的纳米片会产生聚集的现象，形成一种花状结构，这就表明PEG 对该花状形貌的形成起到一定的作用。通过对比图2.2.4 （b），（c），（e），（f），我们发现添加有柠檬酸钠的溶液获得的花状结构具有更多的间隙和孔。ZnO 是一种极性晶体，溶液中的生长基元倾向于吸附在这些极性晶面上并在此聚集形核，以获得最大的晶体表面积，从而降低它的表面能。柠檬酸钠能够吸附在这些表面上，抑制了极性面的聚集形核，从而形成了均匀而分散的ZnO纳米片（由于柠檬酸钠浓度较低，所以同2.1 小节纳米花的形成机理分析类似）。

图2.2.3　采用三种不同的表面活性剂得到ZnO 样品制成的气敏传感器在250 ℃的工作温度下对5×10-5 的乙醇气体的灵敏度曲线和响应恢复曲线(www.xing528.com)

图2.2.4　采用不同试剂组合在130 ℃水热12 h 得到的ZnO 样品形貌的SEM 照片

当溶液中只有乙酸锌和氢氧化钠时，溶液中出现了不均匀的纳米片，这些纳米片混乱地堆叠在一起，没有特定的形貌[图2.2.4（a）和（d）]。但是当溶液中添加PEG 时，这些纳米片就能够自发地组装在一起，形成一种花状结构[图2.2.4（b），（c），（e），（f）]。PEG 是一种长链状的非离子表面活性剂，在它的长链上有亲水基—O—和自由基—CH2—CH2—。由于PEG 能很好地溶解在水中，因此在PEG上的大量亲水性氧能够和溶液中的锌离子结合，在水热条件下，大量的ZnO 微晶就会在PEG 的长链上形核并长大，这就为ZnO 的生长提供了许多最初形核点。在氢氧根离子和柠檬酸根离子的作用下，这些ZnO 微晶逐渐生长成片状的ZnO，而由于PEG 的聚集作用最终演变成分层的花状结构。