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使用SmFeO3气体传感器检测空气中的臭氧,用于空气质量分类

点击数:868      更新时间:2022-09-09

使用SmFeO3气体传感器检测空气中的臭氧,用于空气质量分类

1.导言

        具有镧系元素(Ln)和三价阳离子(M)的钙钛矿型LnMO3氧化物是很适用于催化的材料之一,1)燃料电池的电极和固体电解质,2),3)气体传感器,4)7)等。钙钛矿类型材料已用于NO2气体传感器,因为在空气中制备的许多钙钛矿类氧化物显示p型半导体性质,并且它们的电导率随着氧化气体的吸附而增加。8) 15)臭氧用于食品、制药、纺织、化学工业、水处理、气体净化等领域。此外,臭氧在很高海拔约30km处的浓度高达8ppm,是地球上生命所必需的,其功能是防止紫外线辐射的保护层。另一方面,臭氧是夏季烟雾和有毒物质的一部分。在办公室环境中,复印机和激光打印机会产生臭氧。大多数国家的立法都规定了长时间和短时间接触臭氧的阈值。关于臭氧,环境空气质量分类如下:非常好(0-50ppb)、良好(50-100ppb)、差(100-200ppb)和非常差(>200ppb)。自然水平为30ppb。16) 因此,监测大气中臭氧浓度非常重要。使用基于半导体氧化膜(如In2O3和WO3)的传感器,可以直接测定较高ppb和ppm范围内气相中的臭氧。这两种氧化物都作为n型半导体,电导率随着大气中臭氧浓度的增加而降低。

        在我们之前的研究中,我们报道了Sm[Fe(CN)6]·4H2O热分解制备的SmFeO3薄膜在LnFeO3(Ln=LaYb)中显示出很高的NO2感测性能,并且观察到的SmFeO对NO2的很高灵敏度主要归因于表面上的大量气体吸附位点,这是由于Sm3+离子的较高表面覆盖率,以及吸附氧的很大覆盖率。14) 我们还报道了通过热分解制备的SmFeO3薄膜对0.1ppm臭氧具有良好的灵敏度。17) 在本研究中,对新制造的SmFeO3基气体传感器的臭氧传感特性进行了研究,以开发用于环境空气的常规臭氧监测系统。

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2.实验

        市售硝酸盐Sm(NO3)3·6H2O和Fe(NO3)。通过球磨将规定比例的混合物与去离子水混合,并在900°C下热分解1小时。将球磨的0.24 g磨碎的SmFeO3粉末(样品-A)加入30 ml乙酰丙酮中,并在室温下超声处理1小时,以获得SmFeO 3颗粒的分散液。将获得的分散液放置1小时,以使分散液中的较大SmFeO3颗粒沉淀。此时较小的SmFeO3颗粒仍在分散液中。沉淀的SmFeO3颗粒在下文中称为样品B。分散液中较小的SmFeO3颗粒通过离心分离法沉淀,以下称为样品-C。样品C用作臭氧传感器的半导体材料。通过X射线衍射(XRD,Rigaku,Rint 2000)、颗粒分布(Horiba,LA-950)、高精度比表面积和孔隙率测量系统(BEL JAPAN,Inc.,BEL sorp mini II)、X射线光电子能谱(XPS,Perkin Elmer,1600E,使用MgK辐射)和电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES,Perkin Elmer,optima 3000)对所得材料进行鉴定。向SmFeO3粉末中加入特定量的松油醇,并在研钵中混合,然后将所得浆料丝网印刷在具有金梳状电极的氧化铝基底上。SmFeO3膜的厚度约为50μm。该厚膜在600°C下烧结1小时。添加的松油醇在烧结过程中完全分解,不会残留在膜中。

        将传感器元件插入管式炉中的石英玻璃管中,并在200350°C下进行检查。作为目标气体,将臭氧气体引入玻璃管中,以20分钟间隔交替改变为G2级标准空气(干燥纯空气:CO2<0.5ppm,NOx<0.05ppm)。臭氧气体发生器(Funatech,SO-250;空气流量为5.0L/min时,臭氧气体产量为0.25g/h)从空气中产生臭氧气体(5.0l/min)。臭氧浓度由臭氧检测器(Horiba,APOA-370)监测。通过施加0.10V直流电压的超高电阻计(Adventest,R8340)测量元件的电导。传感器的气体响应被监测为S=Gozone/Gair,其中Gozone和Gair分别是臭氧气体和空气中的电导率。

3.结论

开发的基于SmFeO3的气体传感器对臭氧的ppb水平有响应。电导率因臭氧污染而增加。该比值Gtest/Gair随着工作温度的升高而降低。在低于1ppm臭氧的较低浓度下,臭氧中SmFeO3的电导率表示如下,(GozoneGair)=aCn。当浓度高于1ppm时,臭氧中SmFeO3的电导有饱和的趋势。我们的传感器能够将臭氧污染的空气质量区分为非常好(0-50 ppb臭氧)、良好(50-100 ppb臭氧),差(100-200 ppb臭氧)和非常差(>200 ppb的臭氧)。

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