Page 103 - 《精细化工》2021年第4期

第 4 期 文晓慧，等: p-n 异质结 CuO-CeO 2 的制备及其丙酮气敏性能 ·737·

电子跃迁现象，具有吸收/释放氧能力强、氧空位丰
富、易氧化、离子迁移率高等特点，而这些独特性
[8]
能使其在气敏传感方面备受关注 。ABOUD 等 [9]
研究了 Gd 掺杂对 CeO 2 气敏性能的影响，通过 Gd

掺杂 CeO 2 使其工作温度从 400 ℃降至 250 ℃。
图 1 水热法制备 CuO-CeO 2 复合材料示意图
MENG 等 [10] 通过溶剂热法成功制备了具有 n-n 异质 Fig. 1 Schematic diagram of CuO-CeO 2 composites prepared
结的 CeO 2 -ZnO 复合材料，在工作温度为 320 ℃下 by hydrothermal method
实现对低浓度丙酮气体的检测。尽管研究者通过元
1.3 材料表征
素掺杂、表面修饰、异质结构建等方法来提高 CeO 2
的传感性能 [11] ，但如何降低 CeO 2 气体传感器工作 采用 XRD 进行样品物相结构分析，选取 Cu 靶，
入射波长为 0.15406 nm，管电压为 40 kV，管电流
温度、提高其灵敏度仍待进一步研究。CuO 是 p 型
100 mA，扫描步长为 0.02°，扫描范围为 20°~80°；
半导体金属氧化物，具有较小的带隙能值和独特的
光学、电学和催化性能 [12] 。通过将 p 型金属氧化物 采用 SEM 观察样品微观形貌；采用 TEM 表征样品
晶体结构及异质结结构特征，工作电压为 200 kV；
与 n 型金属氧化物结合实现两者优势互补，构建异 采用 UV-Vis 分光光度计获取样品禁带宽度，紫外
质结可提高气体传感性能 [13] 。因此，本文采用简易
漫反射扫描范围为 200~800 nm；采用 XPS 研究产
水热法制备具有 p-n 异质结的 CuO-CeO 2 复合材料，
物内部的化学键能和元素价态信息，选取 Al 靶
研究复合材料中不同 CuO 用量对材料气敏性能的影
（1486.6 eV），K α ，数据采用 C1s（284.8 eV）校正；
响，并探究复合材料的气敏强化机制。
采用BET测定材料的N 2 吸脱附曲线，脱气温度80 ℃，
时间为 10 h。
1 实验部分
1.4 传感器的制备及性能测试
1.1 试剂与仪器 取适量样品置于研钵中，加入少量无水乙醇，将
六水合硝酸铈〔Ce(NO 3 ) 3 •6H 2 O〕，分析纯，国 样品研磨成浆体后用毛刷涂到陶瓷基板 Ag-Pd 梳状
药 集团化学 试剂有限 公司；三 水合硝酸 铜 电极丝网上。将制得的传感器在 200 ℃下老化 12 h。
〔Cu(NO 3 ) 2 •3H 2 O〕，分析纯，广东市金华大化学试 采用北京艾利特有限公司的 DGL-Ⅲ配气系统和
剂有限公司；氢氧化钠（NaOH），分析纯，阿拉丁 CGS-MT 智能分析系统对传感器的气敏性能进行测
试剂有限公司；实验室用水为自制去离子水。 试。具体步骤为：将传感器密封在小腔体中，使用
Smartab 9 kW 型 X 射线粉末衍射仪（XRD）， 合成空气（干燥空气和氮气体积比为 95∶5 的混合
日本理学公司；Zeiss Sigma 300 型扫描电子显微镜 气体）作为背景气，使用进样针将丙酮作为液源注
（SEM），德国卡尔蔡司有限公司；Jeol-2100F 型透 入腔室中转化为气体，然后通入到放置传感器的腔
射电子显微镜（TEM），日本电子株式会社；UV- 体中进行测试，计算机将记录传感器在目标气体通
2501PC 型紫外-可见分光光度计（UV-Vis），日本岛 入前后的电阻变化。
津公司；K-Alpha 型 X 射线光电能谱仪（XPS），美 灵敏度是衡量气敏材料对目标气体敏感程度的
国赛默飞世尔科技公司；ASAP2420-4 型比表面积及 一个重要参数。n 型半导体和 p 型半导体分别采用
孔径分布仪（BET），美国麦克有限公司。 式（1）和式（2）进行灵敏度计算。
R
1.2 制备方法 S  a （1）
n
采用水热法制备 CuO-CeO 2 复合材料。称取 R g
1.26 g Ce(NO 3 ) 3 •6H 2 O 和一定量 Cu(NO 3 ) 2 •3H 2 O 加 S  R g （2）
入到装有 70 mL 蒸馏水的烧杯中，待其溶解后加入 p R a
0.7 g NaOH，上述溶液在室温下通过磁力搅拌 15 min 其中：R a 为材料在空气中电阻达到稳定时的电阻值，
后转移至 100 mL 具四氟乙烯内衬的不锈钢高压反 Ω；R g 为材料与目标气体接触后电阻达到稳定状态
应釜中，160 ℃下反应 12 h，自然冷却。所得产物 的电阻值，Ω。
经过水洗和醇洗后，在 60 ℃干燥 12 h，以 5 ℃/min 2 结果与讨论
的升温速率升至 700 ℃煅烧 2 h，得 CuO-CeO 2 复合
材料，制备流程示意如图 1 所示。Ce 与 Cu 物质的 2.1 材料表征
量比为 4∶1、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2 制备的样品 2.1.1 XRD 分析
分别标记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ。 采用 XRD 对样品的物相结构进行表征，结果如