SnO乙炔传感特性和机制研究₂基于化学气体传感器用Sm装饰₂O₃

文摘

乙炔C₂H₂天然气是最重要的一个断层特征碳氢化合物气体溶解在油浸电力变压器油。本文报道的成功制备和表征氧化钐Sm₂O₃氧化锡SnO装饰₂基于传感器与等级为C杆结构₂H₂气体检测。纯和Sm₂O₃装饰SnO₂传感结构被温和的水热合成方法和XRD、FESEM, TEM, EDS和XPS测量,分别。平面与合成样本的化学气体传感器,C和传感性能₂H₂气体系统和自动记录执行CGS-1 TP智能气体检测分析系统。Sm的最佳工作温度₂O₃装饰SnO₂基于传感器对50μL / L C₂H₂是260°C,其对应的响应值为38.12,这是纯粹的6倍。其响应时间约为8 - 10和10年代恢复时间。与此同时布置传感器的稳定性和重现性好₂H₂气也。此外,该传感器展览优秀的C₂H₂一些潜在的界面气体选择性,如H₂和CO气体。所有检测结果表明传感器用氧化Sm制作的₂O₃装饰SnO₂纳米棒可能是一种很有前途的候选人C₂H₂在实践中发现。

1。介绍

大型电力变压器是昂贵的和重要的电气设备在电网系统1,2]。目前,大量的电力变压器仍在油纸绝缘结构,和一些绝缘缺陷不可避免地存在在变压器设计、制造、安装和操作3]。一旦潜在的绝缘故障发生在电力变压器,一些故障特征气体,如氢、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、等等,会出现,然后溶解到变压器油(4,5]。其中,乙炔气C₂H₂是最有效的一个识别热和电气故障。因此,如何快速、准确地检测C₂H₂天然气目前深入研究和重视的目标都集中在这个问题上在过去的几年里(1- - - - - -6]。

近年来,各种类型的气体传感技术提出了检测变压器故障特征气体,如金属氧化物半导体(7,8),气相色谱仪,碳纳米管(9,光声光谱和拉曼光谱(10,11]。气相色谱法主要用于离线实验,光谱学是只有在实验室阶段研究和实际应用还有很长的路。简单的制造技术的优势,成本低,寿命长,快速反应和恢复时间,半导体SnO₂可能是最有前途的传感技术探测和识别故障变压器油中特征气体溶解12- - - - - -15]。然而,一些限制,如工作温度高,不满意的选择性,和长期稳定性差,仍需要进一步提高(16- - - - - -21]。掺杂改性与高贵、稀土和过渡金属已经被证明是一种有效的方法来提高传感性能的金属氧化物半导体(22- - - - - -29日]。

因此,在这项工作我们提出的研究半导体SnO₂基于化学气体传感器用稀土氧化物Sm装饰₂O₃对于C₂H₂检测。首先Sm₂O₃装饰SnO₂纳米棒被成功合成简单,环境友好的水热法和x射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、透射电子显微镜(TEM),能量色散x射线能谱(EDS)和x射线光电子能谱(XPS)测量,分别。然后用合成样品平面化学气体传感器是用丝网印刷技术制作,对C和传感性能₂H₂气体系统和自动记录执行CGS-1 TP智能气体检测分析系统。最后一个可能的传感机理,提出讨论。

2。实验

所有的原始购买化学试剂均为分析纯形式重庆川东化工试剂有限公司有限公司(中国重庆),用作收到没有任何进一步净化。Sm₂O₃装饰SnO₂纳米结构是由一个简单和环境友好的水热法利用Na₂SnO₃h·3₂O, Sm(没有₃)₃h·6₂O、C₆H₈O₇·H₂O,氢氧化钠,绝对乙醇和蒸馏水作为前体。

在一个典型的程序,0.81 g的Na₂SnO₃h·3₂啊,0.68 g的氢氧化钠,30毫升的绝对乙醇,30毫升蒸馏水首先混合在一起。然后,复合金属盐0.05 g Sm(没有₃)₃h·6₂O和C 0.24克₆H₈O₇·H₂O被添加到混合解决方案而强烈的磁力搅拌。磁搅拌大约45分钟,然后转移到一个100毫升Teflon-lined不锈钢高压釜、密封和24小时保持在180°C。反应完成后,高压釜是自然冷却到室温。收集的白色沉淀用蒸馏水洗净和绝对乙醇多次来消除多余的残留物。最后,产品进一步脱水和加热为进一步使用。纯粹的SnO₂纳米结构也准备与上述类似的合成路线。

准备好纯的晶体结构和Sm₂O₃装饰SnO₂纳米结构进行了x射线粉末衍射(XRD, Rigaku D / max - 1200 x)与铜K辐射(200 kV, mA和一个)。准备样品的微观结构和形态是通过场发射扫描电子显微镜(FESEM, Hillsboro配备能量色散x射线能谱(EDS))和透射电子显微图(TEM、日立s - 570)。分析x射线光电子谱(XPS)上执行一个ESCLAB MKII使用铝作为刺激源。

平面化学气体传感器是用丝网印刷技术制作,陶瓷基板是购自北京精英科技有限公司有限公司,中国18]。图1显示了图结构的平面化学气体传感器。作为显示在图1平面化学传感器是由三个重要组件、陶瓷基片,Ag-Pd interdigital电极,和传感材料。长度、宽度和高度平面陶瓷基片的约13.4,7和1毫米。合成纳米结构传感与蒸馏水和绝对乙醇分散的重量比100:20:10形成均匀粘贴。然后粘贴随后丝网印刷在平面陶瓷基片产生统一的气敏薄膜。最后,制作的传感器是干空气在80°C进一步挥发有机溶剂和年龄在300°C 2天前改善其稳定性测试。

气敏特性测量使用化学气体Sensor-1温度压力(CGS-1TP)智能气体检测分析系统18),从北京精英科技有限公司购买中国有限公司。图2说明了CGS-1TP气体传感的原理图分析系统,可以提供一个外部温度控制从室温到500°C的调整精度1°C。测试过程的第一步是把捏造气体传感器测试室和修复其电极通过调整两边各有一个探测器收集电子信号。当传感器电阻达到一个恒定值,一定数量的C₂H₂由显微注射器注入室通过橡胶塞。打开上盖的试验箱恢复传感器直到阻力达到一个新的稳定值。传感器电阻和灵敏度是由系统自动收集和分析。工作和环境温度、相对湿度和温度也记录分析系统。

传感器灵敏度(在本文中被定义为,在那里传感器在空气的阻力和表示在某些浓度C₂H₂与空气混合,分别30.]。传感器的时间达到90%的总电阻变化是指定的响应时间在气体吸附和恢复时间的气体解吸(31日]。所有气体传感测量重复几次,以确保传感器的重复性与C₂H₂气体(31日,32]。

3所示。结果与讨论

x射线衍射测量是首先执行确定as-synthesized样品的晶体结构。图3介绍了典型的x射线衍射模式准备纯和Sm₂O₃装饰SnO₂纳米结构。我们可以清楚地看到在图3这些纳米结构在本质上是多晶。的著名的山峰(110),(101)和(211)和其他小山峰都依照的标准光谱正方金红石SnO₂鉴于在标准数据文件(JCPDS文件没有。41 - 1445)。没有山峰钐原子及其氧化物观察,这可能是由于高色散和低的合成SnO Sm₂样本。

检查是否Sm元素已经成功地掺杂进SnO合成₂纳米结构、能量色散x射线能谱法测量。图4合成Sm的EDS谱吗₂O₃装饰SnO₂纳米结构。山峰从Sn, Sm, O是观察和计算原子Sm Sn比约为3.13,%,这证实了合成SnO Sm掺杂剂的可用性₂纳米结构。

为了进一步验证Sm原子的存在及其在合成SnO价₂样本,XPS分析(图5)进行和XPS数据收集。不定烃C 1 s轨道结合能285电动汽车作为参考纠正O 1 s轨道的能量转变。图6显示了广泛的调查样本的光谱,证实Sn的存在,O, Sm。Sn 3 d的结合能,3 p, 3 s对应Sn^{4 +}。和峰值1084.3 eV被确定为Sm,这可能归因于Sm^{3 +}离子。

整体的表面形态和结构特点合成纯和Sm₂O₃装饰SnO₂样本由FESEM、TEM和SAED测量和用图表示6。如数据所示6(一)- - - - - -6 (c)许多棒状纳米结构与统一的形状和大小可以清楚地看到,而且没有观察到其他形态,揭示高收益的产品。TEM图像如图6 (c)说明了Sm的形状和大小₂O₃装饰SnO₂完全符合了对图像。相应的SAED模式如图6 (d)验证合成Sm的多晶结构₂O₃装饰SnO₂纳米棒,同时与XRD结果显示在图3。

众所周知,工作温度是一个重要和基本的特征半导体气体传感器,传感响应有重要影响。图7演示了准备纯的响应曲线和Sm₂O₃装饰SnO₂纳米传感器到50μL / L C₂H₂工作温度的函数从140°C到410°C的间隔30°C。显然,每个传感器的气体响应增加迅速,取得最大值,然后迅速降低工作温度的进一步提高。与纯SnO相比₂传感器,Sm₂O₃装饰SnO₂纳米传感器表现出更高的电阻值在同一工作温度。装饰的最佳工作温度50μL / L C₂H₂与对应的最大响应值260°C 38.12。7.53,这是纯320°C,在传感器展览最大的气体反应。

图8演示了准备传感器的气体响应的函数C₂H₂浓度传感器工作在其最佳操作温度测量。作为代表,传感器的传感响应和C₂H₂大大增加随着气体浓度在1 - 100的范围μL / L,改变从100年要缓慢得多μL / L到400μL / L,获得饱和暴露在超过400人μL / L。饱和感应反应测定Sm约为68.87和18.61₂O₃装饰SnO₂纳米传感器和纯。

探讨response-recovery特性、稳定性和重复性的Sm₂O₃装饰SnO₂纳米传感器,连续暴露于不同浓度的C₂H₂气,如图9(5、10、20、50和100μL / L),同等浓度如图10(20μL / L)。如数据所示9和10提高,传感器响应迅速暴露在特定浓度C₂H₂并为恢复显著降低,当暴露在空气中。气体传感测量的时间约为8 - 10和10年代传感器恢复。与此同时,气体传感器的反应总是返回其初始值连续测试期间,这意味着一个非常令人满意的准备Sm的再现性₂O₃装饰SnO₂纳米传感器。

图11描述了气体的直方图的纯粹和Sm的反应₂O₃装饰SnO₂纳米传感器到20μL / L各种气体在260°C,包括C₂H₂、公司和H₂。它可以清楚地看到在图11布置传感器显示优秀的C₂H₂这两个潜在的接口之间的气体传感响应。

SnO₂是一个典型的n型氧化物半导体传感材料,其气体传感性能主要是由其表面电阻(32- - - - - -35]。众所周知,当传感器暴露在空气中,氧气会在SnO被吸收₂表面首先。由于电负性强,吸收氧气作为乐队的SnO陷阱捕捉电子的条件₂形成化学吸附氧物种像O²⁻阿,⁻,或(36]。因此,出现表面耗尽区,导致下降的载体浓度和增加传感器电阻。正如C₂H₂介绍了气体,有关化学反应发生在C之间₂H₂气体电离氧气。被困电子的传导带SnO发布₂表面,增加传感器的导电率;从而降低电阻测量。

基于上面的传感实验表明,氧化Sm₂O₃已经对改善SnO的传感特性产生重大影响₂基于气体传感器C₂H₂。一个可能的Sm的传感机理₂O₃装饰SnO₂基于传感器C₂H₂可以解释如下(37,38]。首先,氧化Sm₂O₃可能作为一个有效的催化剂,活性中心的影响好处为C₂H₂吸附。其次,Sm的合并^{3 +}离子可能会改变电子的运动和SnO电子云的重叠₂传感材料,进一步加强碳氢三键电负性的C₂H₂并使离解氢更容易结合O²⁻。因此,更多的电子被释放在这个过程中还有雪地₂阻力大幅下降。第三,Sm的加法₂O₃可能会限制SnO的微晶成长吗₂。也就是说,装修后的直径和长度的SnO合成₂纳米棒减少,这将提供更积极的网站氧吸附和气体传感渠道。因此,Sm₂O₃装饰SnO₂基于传感器表现出更高的气体反应在一个相对较低的操作温度C₂H₂气体与快速response-recovery、良好的稳定性、重现性和选择性。

4所示。结论

在这个工作中,纯氧化和Sm₂O₃装饰SnO₂纳米棒被成功合成简单,简单的水热法和仔细以XRD、FESEM, TEM, EDS和XPS测量,分别。平面与合成样本的化学气体传感器,C和传感性能₂H₂气体系统和自动记录执行CGS-1 TP智能气体检测分析系统。与纯一个相比,Sm₂O₃装饰SnO₂基于纳米传感器表现出较低的最佳工作温度,更高的传感响应,快速反应和响应时间,良好的稳定性和重现性,优良的选择性之间的气体潜在的接口。所有结果表明传感器用氧化Sm制作的₂O₃装饰SnO₂纳米棒可能是一种很有前途的候选人C₂H₂在实践中发现。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作一直在支持部分由中国国家自然科学基金(51507144和51507144号),基础研究基金为中央大学(XDJK2015B005号和SWU114051),国家重大研究专项基金仪器开发(没有。2012 yq160007),中国创新研究群体基金(没有。51021005)。

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