文摘

在本文中,g c₃N₄我们₃复合材料是由热液处理。复合材料的特征通过粉末x -射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM),傅里叶变换红外光谱(FTIR)、x射线光电子能谱(XPS)和N₂分别adsorption-desorption。气体传感性能的复合材料。结果表明,添加适量的g c₃N₄对我们₃可以提高丙酮的反应和选择性。该传感器基于2 wt % g c₃N₄我们₃综合显示最好的气体传感性能。当操作在310°C的最佳温度,反应到1000 ppm和0.5 ppm丙酮分别为58.2和1.6,分别和的比值_{1000 ppm丙酮}来_{1000 ppm乙醇}达到3.7。

1。介绍

石墨碳氮化(g c₃N₄)纳米材料表现出稳定的分层结构和п-conjugated s-triazine sp组成的单元²杂化碳原子和sp²杂化氮原子。g c₃N₄nanosheets近年来吸引了研究者的注意对其特有的属性作为半导体如巨大的比表面积(1]。王等人。2)准备g c₃N₄葡萄糖和尿素的热处理,根据g c和p型传感器₃N₄表现出良好的反应₂在室温下。

以气体传感材料,我们₃过去十年一直在注意。曹et al。3)使用超声喷雾热解我们做准备₃空心球体使用柠檬acid-containing前体解决方案;我们的₃空心球体表现出高反应选择性和良好的气体传感三甲胺,但传感器表现出抑郁反应不一样₂。智库等。4用酸化Na₂我们₄与H₂所以₄解决方案准备lamellar-structured卧室₃粒子有一个高的响应( -280)甚至稀释₂(50 - 1000磅)在空气中在200°C。马等的研究。5)表明,我们₃nanoplates通过局部化学转换相应的H₂我们₄前兆表现出高乙醇反应而在300°C。

g c的光催化活性₃N₄我们₃纳米复合材料也已被许多研究人员报道(6- - - - - -9];我们的光催化性能₃/ g c₃N₄纳米复合材料是高于纯粹的我们₃和纯g c₃N₄,这是由于我们的协同效应₃和纯g c₃N₄。张等人的研究。10)表明,乙醇的传感性能α菲₂O₃/ g c₃N₄纳米复合材料比纯α菲₂O₃和g c₃N₄,这可能是由于多孔α菲₂O₃纳米管由片状g c包裹₃N₄纳米结构的异质结的形成。曹et al。11)报道,气体传感响应和选择性乙醇也可以增强g c的修改₃N₄nanosheets。我们的结合₃和g c₃N₄可能会表现出良好的气体传感性能,这对我们所知还没有被报道。

在本文中,我们报告g c的准备₃N₄我们₃纳米复合材料通过水热法和调查的气体传感特性。分析表明,2 wt % g c₃N₄我们₃纳米复合材料的反应对丙酮高度和选择性。

2。材料和方法

2.1。材料制备和表征

g c₃N₄是由三聚氰胺在烤箱加热2.0 g 520°C 5小时,同时保持加热速度5°C /分钟,这是类似于发表在文献[12]。自然冷却至室温后,产品纯度与乙醇,它干后60°C 24 h成功通过铣削。

对于纳米复合材料准备,一定数量的和g c₃N₄添加到40毫升去离子水和用近1小时获得g c₃N₄悬架。0.0025摩尔Na₂我们₄h·2₂O是溶解在去离子水20毫升,4毫升浓盐酸加一滴一滴地Na₂我们₄解决方案一边搅拌一边缓慢导致H的形成₂我们₄;的g c₃N₄暂停了慢慢H₂我们₄而搅拌。混合物被密封在一个100毫升Teflon-lined不锈钢高压蒸汽和加热在200°C 24 h;获得的沉淀过滤,用蒸馏水和乙醇洗净,其次是在空气中干燥24小时在80°C;最后,g c₃N₄我们₃复合。g c的重量比率₃N₄粉/我们₃(我们的重量₃Na是根据重量来计算的₂我们₄h·2₂O) 0 wt % 1 wt %, 2 wt %, 3 wt %, 4 wt %(样本贴上S-0、s - 1 s, s 3,, 4,分别)。

x射线衍射(XRD、力量D8进步,Cu-Kα辐射: 在40海里)、操作kV和30 mA范围从10°- 70°在室温下,被用来分析g c的晶体结构₃N₄我们₃纳米复合材料。扫描电子显微镜(SEM、日立s - 4800显微镜),加速电压的10 kV,被用来描述样品的表面形态。那些时光6700年傅里叶变换红外光谱(红外光谱,Nicolet FTIR光谱仪)光谱被记录下来的KBr颗粒技术范围400 - 4000厘米¹。元素的化学物种被x射线光电子能谱分析(XPS、热ESCALAB250Xi)的结合能修正根据污染物碳( )。的特定的表面区域的特点是Brunauer-Emmett-Teller(打赌,ASAP2010C)方法使用N₂adsorption-desorption测量。

2.2。气体传感测量

传感器设备的准备过程和气体传感测量中解释了以前的工作(13]。气体传感气体传感器的响应是通过电阻的比值定义空气中的气体传感器( )在测试气体( )。图S1代表气体传感器,见补充材料。

3所示。结果与讨论

3.1。描述

图1显示了XRD的纯g c模式₃N₄,g c₃N₄我们₃(s - 1, 2, s 3和4),和我们₃。两个明显的衍射峰出现在13.23°,27.86°XRD的g c模式₃N₄,这说明》(100)和(002)飞机的分层g c₃N₄;较弱的峰值为13.23°表示在平面tris-s-triazine结构包装,和较强的峰值为27.86°之间的芳香系统对应于堆叠层(6- - - - - -8,14]。XRD S-0模式中的所有观察到的衍射峰,s - 1, s, s 3和4可以记入我们的标准数据₃(JCPDS 43 - 1035)。g c的衍射峰₃N₄无法找到的低浓度g c₃N₄在复合材料(14]。据报道,g c的衍射峰₃N₄未出现在g c的XRD模式₃N₄我们₃复合材料在我们的内容₃高于10 wt % (15]。谢勒的平均微晶尺寸计算公式: 在哪里微晶的大小,仪器校正因子,是Cu-Kα波长(0.151418海里),的半宽度是山峰,然后呢峰的位置。我们的平均微晶尺寸₃S-0, s - 1, 2, s 3和4分别为54.9,62.6,44.4,44.3,和50.2 nm,分别。g c的粒度计算₃N₄是关于5.7海里。

图2展品g c的扫描电镜图像₃N₄,纯粹的我们₃(S-0)和g c₃N₄我们₃(2)。g c的形态₃N₄表由小粒子,粒子大小约200海里。我们的₃粒子尺寸在我们₃和g c₃N₄我们₃在100年和400海里;的g c₃N₄在复合我们的粒子大小没有明显的影响₃。粒子的大小从SEM图像获得较大的从谢勒比计算公式,这体现了粒子在g c扫描电镜观察到₃N₄,纯粹的我们₃和g c₃N₄我们₃是小粒子的聚集。

我们的红外光谱谱₃和g c₃N₄我们₃(2)如图3。吸收峰在763、822和935厘米¹在两个样品的光谱源于伸展振动O-W-O的卧室₃(9,15,16];在1632年达到顶峰,3436厘米¹我们的红外光谱₃和g c₃N₄我们₃(2)引起的振动H-O-H弯曲和拉伸地吸收H₂O在材料表面17];和红外光谱吸收峰谱g c₃N₄我们₃(2)、其他比我₃,在1244、1321、1411、1567和1632厘米¹被归因于C-NH-C伸缩振动和C = N杂环化合物(15),这证明了g c的存在₃N₄在复合。XPS结果讨论的补充材料,这可能证明g c的形成₃N₄我们₃。

3.2。气体传感特性

纯粹的我们的气体传感响应₃s - 1 s, s 3和4 1000 ppm的丙酮浓度在不同操作温度下如图所示4。增加的响应与g c的数量的增加₃N₄在g c₃N₄我们₃观察复合而g c的内容₃N₄低于2 wt %;当g c的内容₃N₄在g c₃N₄我们₃综合3 wt % 4 wt %,反应显著降低;最优操作温度对s - 1和2都是310°C,这比单纯的我们₃。纯我的反应₃s - 1 s, s 3和4 1000 ppm丙酮在310°C 3.7, 16.2, 58.2, 1.0,和1.3,分别。据报道,纯g c₃N₄很少表现出对丙酮;响应特定g c含量显著提高₃N₄在一系列的g c₃N₄sno₂纳米复合材料(18]。的反应α菲₂O₃/ g c₃N₄乙醇也被报道(11];适量的g c₃N₄在复合材料的分散有利于α菲₂O₃在复合材料的形成更好的垂直;增强的气体传感响应的原因是由于更大的比表面积,更好的透气性,异质结。传感器基于s组合表现出更高的响应丙酮与纯粹的我们₃。N₂adsorption-desorption结果如图S3补充的材料;平均孔隙大小S-0和2之间的区别并不明显,和气体扩散率的内在部分S-0和2近似;的增强的气体传感响应2,可能是由于更大的比表面积s和异质结。许多文献报道了我们的丙酮传感机制₃(19,20.),我们的电导₃传感器受到化学吸附氧的变化存在表面的气体传感材料;接触的传感器在空气中,氧气吸附表面的卧室₃,进而捕获电子的传导带我们₃,导致导带中的电子浓度下降;氧气分子变成O₂^{- - - - - -}_(广告)阿,^{- - - - - -}_(广告)阿,^{2 -}_(广告)与温度的变化。当传感器被放置在一个丙酮蒸汽气氛,丙酮的反应与O₂^{- - - - - -}_(广告)阿,^{- - - - - -}_(广告)阿,^{2 -}_(广告),释放电子的氧分子捕捉到传导带的我₃和减少的电阻传感器。反应如下:

图5描绘了一个S-2-based传感器的反应到1000 ppm醋酸,丙酮、甲醛、乙醇、乙醛和氨在不同的温度下。最优操作温度甲醛、乙醇和乙醛360°C, 240°C, 360°C,分别;的最大响应醋酸、丙酮和氨所有出现在310°C。在310°C的操作温度,反应1000 ppm醋酸、丙酮、甲醛、乙醇、乙醛和氨是8.9,,58.2,6.0,15.4,4.3,和6.0,分别;2,传感器显示重要的气体传感选择性丙酮,响应的比值_{1000 ppm丙酮}/_{1000 ppm乙醇}达到3.8。

图6显示了S-0——和S-2-based传感器的响应六种气体,同时保持浓度1000 ppm,在310°C。2,传感器的响应乙醛、乙醇,甲醛是纯粹的低于我们₃传感器。但2,传感器的响应氨、丙酮,乙酸是高于纯粹的我们₃气体传感器;特别是2,传感器的响应丙酮是纯粹的15倍₃气体传感器,证明g c的作用₃N₄在改善气体传感器的选择性。

响应时间和恢复时间计算使用公式定义在一个先前文献[21]。传感器的瞬态响应曲线基于样例2,复合丙酮(1000 ppm, 500 ppm, 100 ppm, 10 ppm, 1 ppm,和0.5 ppm)在310°C图所示7。反应到1000 ppm, 500 ppm, 100 ppm, 10 ppm, 1 ppm,和0.5 ppm丙酮分别为58.2,36.6,17.2,3.0,1.8,和1.6,分别;2的检测极限composite-based传感器丙酮为0.5 ppm。响应时间1000,500、100、10、1和0.5 ppm丙酮是53,24日,10日,15日,7和5 s,分别在1000年恢复时间,500年,100年,10日1和0.5 ppm丙酮是29日,25日,6日,7日,12日和3 s,分别。呼吸变化中的丙酮浓度从0.3到0.9 ppm对于健康的人来说,但糖尿病患者的丙酮浓度超过1.8 ppm (22]。的s composite-based传感器的响应1.6到0.5 ppm丙酮这意味着它有可能应用于糖尿病的检测。

气体传感器的稳定是一个重要的气体传感器的参数,和气体传感响应与时间的曲线的s composite-based传感器如图8。气体传感响应显著降低七天,然后达到稳定在7 - 30天。传感器的稳定性可以进一步提高。的g c₃N₄我们₃复合(s)已被证明是一个潜在的候选应用程序作为丙酮传感器,如果可以提高传感器的稳定性。

表1比较了不同丙酮气体传感性能的传感器。总的来说,g c₃N₄我们₃丙酮对丙酮气体传感器显示好敏感,也有明显的选择性。此外,检出限低至0.5 ppm的第二上市最低丙酮传感器。

4所示。结论

它可以观察到g c的内容₃N₄在g c₃N₄我们₃复合材料g c的响应和选择性的影响₃N₄我们₃丙酮composite-based传感器。2 wt % g c₃N₄我们₃复合材料(2)显示最好的气体传感性能系列g c₃N₄我们₃复合材料,当操作的最佳温度为310°C;反应到1000 ppm, 0.5 ppm丙酮分别为58.2和1.6,分别与的比值_{1000 ppm丙酮}来_{1000 ppm乙醇}达到3.7;的s composite-based传感器能够检测丙酮浓度低至0.5 ppm。传感器5 s和3 s应对0.5 ppm丙酮和恢复;的g c₃N₄我们₃复合(s)已被证明是一个潜在的候选应用程序作为丙酮传感器如果可以提高传感器的稳定性。

数据可用性

底层数据相关的手稿可以在请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金(61671019和61671019号)。

补充材料

图S1:气体传感器用于描述气体传感的行为样本。图S2: g c的XPS谱₃N₄我们₃(2):(一)全谱。(b) c1。(c) n1。(d) o1群。(e) w·图S3: (a) N₂adsorption-desorption等温线的我们₃。我们的(b)孔隙大小分布曲线₃。(c) N₂adsorption-desorption等温线的g c₃N₄我们₃(2)。(d) g c的孔隙大小分布曲线₃N₄我们₃(2)。(补充材料)