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Fe掺杂ZnO纳米纤维的制备及其乙炔气敏性能的研究
摘要
本文介绍了一种简单有效的方法，用于制备Fe掺杂ZnO纳米纤维，并研究了其在气体敏感性方面的应用。首先，采用电纺法制备了普通ZnO纳米纤维，然后使用浸渍法将Fe添加到纳米纤维中。通过扫描电子显微镜和X射线衍射仪对样品进行了表征。结果表明添加Fe之后，ZnO纳米纤维具有了较好的晶体结构和形貌，纳米纤维的尺寸变小，形成了纳米晶。在乙炔气敏性能测试中，Fe掺杂ZnO纳米纤维具有较好的响应和恢复时间，且检测极限低。因此，这种Fe掺杂ZnO纳米纤维可以作为一种新型的气敏材料应用于气体检测领域。
关键词：Fe掺杂ZnO纳米纤维、电纺法、浸渍法、乙炔气敏性能
Abstract
Inthispaper,asimpleandeffectivemethodwasintroducedtoprepareFe-dopedZnOnanofibersandinvestigatetheirgassensitivityapplication.Firstly,ordinaryZnOnanofiberswerepreparedbyelectrospinning,andthenFewasaddedtothenanofibersbyimpregnationmethod.ThesampleswerecharacterizedbyscanningelectronmicroscopyandX-raydiffraction.TheresultsshowedthatafteraddingFe,theZnOnanofibershadbettercrystalstructureandmorphology,andthesizeofnanofibersbecamesmaller,formingnanocrystals.Intheacetylenegassensitivitytest,Fe-dopedZnOnanofibershadgoodresponseandrecoverytime,andlowdetectionlimit.Therefore,thisFe-dopedZnOnanofibercouldbeusedasanewtypeofgassensormaterialinthefieldofgasdetection.
Keywords:Fe-dopedZnOnanofibers,electrospinning,impregnationmethod,acetylenegassensitivity
引言
纳米复合材料作为一种新兴的材料，因为其较大的比表面积和尺寸效应，在多领域中广泛应用，例如气敏、光学、生物医学、能源存储等。氧化锌（ZnO）是一种重要的半导体材料，由于其高敏感性和稳定性，被广泛用于气体敏感领域。然而，ZnO的气体敏感性需要进一步提高，以满足对气体检测的需求。因此，通过掺杂过渡金属等方法改进其气体敏感性成为研究热点之一。
Fe是一种广泛存在于地球上的过渡金属元素，对ZnO的性能具有明显的影响。Fe掺杂ZnO材料具有更好的光学性能、磁性以及光催化性能等。然而，Fe掺杂ZnO的制备方法很多，例如沉淀法、水热法、溶胶凝胶法等，但这些制备方法往往过程复杂，成本高昂。因此，需要研究一种简单、有效、低成本的制备方法。
本文中，采用电纺法制备了普通ZnO纳米纤维，并通过浸渍法将Fe添加到纳米纤维中。通过表征ZnO纳米纤维和Fe掺杂ZnO纳米纤维的结构，比较了两种材料的性能。同时，研究了Fe掺杂ZnO纳米纤维在乙炔气敏性能方面的应用。结果表明，Fe掺杂ZnO纳米纤维具有更好的气敏性能，可以作为一种新型的气体检测材料。
实验方法
材料制备
纯ZnO纳米粉末、聚乙烯醇（PVA）、FeCl3和乙醇均为实验室常用试剂，均为优级。ZnO纳米粉末经超声分散处理后，所得无色溶液对10％PVA溶液按体积比1:1混合，得到质量分数为10％的ZnO-PVA混合溶液。混合溶液用注射器加入50ml注满乙醇的杯子中。通过电极间加电压，使混合溶液电纺成纳米纤维，然后用150ml90％乙醇溶液将所得纳米纤维洗涤。将洗涤后的纳米纤维在60℃的烤箱中干燥8小时，可以得到普通的ZnO纳米纤维。
Fe掺杂ZnO纳米纤维的制备步骤如下：首先制备10％肼溶液，并将其称取所需更量，以注射器滴加至共沉淀法制备纳米结构的ZnO纳米纤维中，混匀15分钟，倾倒废液并用去离子水重复上述过程两次。最后将所得固体物质烘干，得到Fe掺杂ZnO纳米纤维样品。
样品表征
通过扫描电子显微镜（SEM）观察样品表面形貌，用X射线衍射仪（XRD）测定样品的晶体结构，使用能高分辨电子显微镜（HRTEM）观察样品的纳米结构和晶粒尺寸。
气体敏感性能测试
使用制备好的Fe掺杂ZnO纳米纤维样品测试其气敏性能