Synthèse facile d'oxyde d'étain mésoporeux semblable à un trou de ver via l'auto-assemblage induit par l'évaporation et les propriétés de détection de gaz améliorées

Contexte

Parmi les oxydes métalliques semi-conducteurs, le dioxyde d'étain (SnO₂ ), un semi-conducteur à large bande interdite (3,6 eV) avec une structure cristalline de type rutile, a attiré beaucoup d'attention pour diverses applications potentielles dans les domaines des matériaux d'anode des batteries lithium-ion [1], des cellules solaires à colorant [2 ], la photocatalyse [3,4,5], les matériaux conducteurs [6] et les capteurs de gaz [7] en raison de sa large bande interdite, de sa nature non stoechiométrique, de son excellente mobilité électronique et de sa stabilité. De nos jours, les capteurs de gaz jouent un rôle très important dans la surveillance de la pollution de l'environnement [8], la qualité de l'air intérieur, la santé publique, le diagnostic de maladies non invasives et les applications industrielles. De nombreux oxydes métalliques semi-conducteurs comme ZnO [9], Co₃ O₄ [10], AD₃ [11,12,13,14,15], NiO [16, 17] et SnO₂ [18,19,20,21,22,23] ont été utilisés pour des applications de détection de gaz en raison de l'excellente réponse, de la sensibilité élevée, de la bonne fiabilité et du faible coût. Parmi eux, SnO₂ a été largement étudié pour les capteurs de gaz avec une grande sensibilité envers plusieurs gaz, y compris l'acétone [24], le dioxyde d'azote [25], le toluène [26], l'éthanol [27], le formaldéhyde [28, 29] et le méthanol [30].

Les propriétés de SnO₂ dépendent directement de son état structurel et morphologique, comme la phase, la taille des particules et la bande interdite. Par conséquent, de nombreux efforts ont été déployés pour synthétiser SnO₂ en morphologies nanostructurées utiles pour adapter ses propriétés chimiques et physiques [17, 31, 32]. Ainsi, divers SnO₂ des nanostructures avec différentes morphologies ont été obtenues, qui présentaient de bonnes propriétés de détection pour de nombreux gaz d'essai. Pendant ce temps, SnO₂ avec une structure mésoporeuse possède une surface spécifique élevée et une distribution étroite de la taille des pores, ce qui peut fournir plus de sites actifs in situ pour une interaction supérieure de SnO₂ des poudres avec un gaz analyte et une diffusion gazeuse aisée dans les couches de détection poreuses ; cela pourrait encore améliorer les propriétés de détection de gaz. SnO mésoporeux₂ a déjà été préparé par diverses méthodes, y compris des méthodes sol-gel et sonochimiques utilisant des modèles supramoléculaires. Cependant, les littératures relatives à la préparation de SnO₂ indiquent qu'une méthode simple et économique pour synthétiser le SnO₂ mésoporeux reste un défi et des améliorations supplémentaires sont nécessaires. De plus, l'auto-assemblage induit par l'évaporation est une méthode assez efficace pour la synthèse de nanocristaux poreux et présente les avantages de tailles de pores homogènes, de morphologies contrôlables et de conditions de réaction douces [33, 34].

Dans cet article, un processus d'auto-assemblage induit par évaporation facile a été utilisé pour synthétiser SnO₂ mésostructure dans des conditions douces pour une application efficace des capteurs de gaz. La microstructure, la morphologie et les propriétés de détection du SnO₂ mésoporeux ont été systématiquement investigués. Les résultats des tests sur les propriétés de détection de gaz ont montré le SnO₂ mésoporeux tel que préparé avaient une bonne sensibilité à une température de fonctionnement appropriée, et les propriétés améliorées de détection de gaz étaient étroitement liées à leurs pores interconnectés et à leurs facettes exposées. En outre, le mécanisme possible des propriétés améliorées de détection de gaz a également été discuté.

Méthodes

Tous les produits chimiques utilisés dans les expériences étaient des réactifs de qualité analytique achetés auprès de Sinopharm Chemical Reagent Co. Ltd. et utilisés sans autre purification. Dans une procédure typique, 0,42 g de SnCl₄ ·5H₂ O et 0,336 g d'acide citrique ont d'abord été dissous dans 10 mL d'eau déminéralisée. 0,144 g d'agent directeur de structure (modèle) (OE)₂₀ (PO)₇₀ (OE)₂₀ (P123) a été dissous dans 10 mL d'éthanol et 1 mL d'acide nitrique a été ajouté comme inhibiteur de condensation. La solution de P123 a ensuite été ajoutée à la solution d'étain sous agitation vigoureuse. Le mélange formé a été recouvert d'un film PE, agité à 60 °C dans un bain d'eau pendant 2 h, puis placé dans une étuve de séchage à 60 °C pour subir un processus d'évaporation du solvant. Le solide tel que formé a été calciné à l'air pendant 3 h pour retirer le gabarit et finalement produire le SnO₂ mésoporeux . Le mésoporeux SnO₂ calcinés à 350, 400 et 450 °C ont été nommés SnO₂ -350 °C, SnO₂ -400 °C et SnO₂ -450 °C, respectivement.

L'analyse de phase a été réalisée au D/MAX2550VB ⁺ Diffractomètre à rayons X avec une tension d'accélération de 40 kV et un courant d'émission de 300 mA, rayonnement Cu Kα (λ = 1,5405 Å) comme source de rayonnement, et du graphite comme monochromateur ; 2θ compris entre 0,5° et 80° a été détecté à une vitesse de balayage de 0,02 °/s. Des images de spectroscopie électronique à transmission (TEM) et de microscopie électronique à transmission haute résolution (HRTEM) des produits ont été prises par un Tecnai G ² -20ST microscopie électronique à 220 kV. Le N₂ les isothermes d'adsorption-désorption ont été enregistrés à 77 K et analysés à l'aide d'un analyseur de surface ASAP 2020. Les surfaces spécifiques ont été calculées à l'aide de l'équation de Brunnauer-Emmett-Teller (BET), et les estimations des distributions de taille des pores ont été déduites au moyen des méthodes de Barrett-Joyner-Halenda (BJH). Les spectres infrarouges à transformée de Fourier (FTIR) des échantillons ont été enregistrés sur un spectrophotomètre FTIR Nicolet Nexus 670 en utilisant des pastilles de KBr, et le mélange a été pressé en une pastille pour la mesure IR. Le spectre de photoluminescence (PL) a été mesuré sur un HITACHI FL-4500 à température ambiante en utilisant une lampe Xe avec une longueur d'onde de 310 nm comme source d'excitation.

Premièrement, les poudres de SnO₂ mésoporeux ont été mélangés avec du terpinéol saturé de méthylcellulose pour former une suspension diluée. Ensuite, la suspension a été appliquée sur un tube en céramique d'alumine qui a été imprimé avec une paire d'électrodes en or et quatre fils de Pt. Après avoir été séché dans des conditions ambiantes, le tube en céramique a été chauffé à 350 °C pendant 3 h. Enfin, une petite bobine en alliage Ni-Cr a été insérée dans le tube comme élément chauffant pour fournir la température de fonctionnement.

Le test de détection de gaz a été effectué sur un système WS-30A (Weisheng Electronics Co., Ltd., Chine). Avant les mesures, l'appareil a été vieilli à 350 °C pendant 48 h dans l'air pour améliorer la stabilité. La réponse a été définie comme Ra/Rg, où Ra et Rg étaient les résistances du capteur exposé à l'air et à l'atmosphère réductrice, respectivement. Les temps de réponse et de récupération ont été définis comme le temps mis par le capteur pour atteindre 90 % du changement total de résistance dans le cas de l'adsorption et de la désorption, respectivement. Les propriétés de détection d'humidité du SnO₂ mésoporeux les capteurs ont été étudiés à la température de fonctionnement optimale sous quatre humidités relatives (HR) différentes (24, 43, 75 et 97 %) en utilisant des solutions saturées de CH₃ CUISINER, K₂ CO₃ , NaCl et K₂ SO₄ , respectivement. Le principe de test des capteurs de gaz était similaire à celui décrit dans la littérature [21].

Résultats et discussion

Comme illustré sur la Fig. 1, SnO₂ mésoporeux les poudres ont été préparées par agrégation micellaire, évaporation, auto-assemblage et élimination des tensioactifs. Premièrement, les espèces d'étain et les molécules P123 ont été mélangées uniformément pour former la solution d'origine. Le P123 a servi d'agent directeur de structure dans l'expérience, qui s'est ensuite assemblé en micelles sous forme de mésophase de cristal liquide. Dans des conditions solvothermes, les micelles P123 pourraient être adsorbées sur les surfaces de Sn(OH)₄ lors d'évaporation lente dans la solution ou SnO₂ par des liaisons de coordination faibles pour former des intermédiaires complexes de type couronne-éther qui inhibent la croissance du SnO₂ particules [35]. En conséquence, SnO₂ uniforme des nanocristaux ont été obtenus. Par l'auto-assemblage induit de ces particules et l'élimination du tensioactif par un simple traitement thermique, le SnO₂ à structure mésoporeuse a été obtenu avec succès, ce qui était responsable d'une surface spécifique et d'un volume de pores élevés.

Illustration schématique de la procédure de synthèse du SnO₂ mésoporeux poudres

Les structures cristallines du SnO₂ mésoporeux tel que synthétisé des échantillons avec différentes températures de calcination ont été étudiés par des mesures XRD, et leurs motifs sont illustrés sur la figure 2. La formation de la mésostructure a été confirmée par des motifs XRD aux petits angles (figure 2a). Exemple de SnO₂ -400 °C montre un pic de diffraction plus fort autour de 1,7°, caractéristique de la structure mésoporeuse, tandis que l'échantillon SnO₂ -350 °C ne montre aucun pic mésoporeux caractéristique. L'échantillon SnO₂ -450 °C présente un pic de diffraction relativement plus faible et plus large, ce qui révèle qu'une température de calcination plus élevée peut entraîner l'effondrement de la mésostructure et la réduction du pic de diffraction correspondant. La figure 2b indique les motifs XRD grand angle correspondants du SnO₂ mésoporeux calciné à différentes températures. Tous les pics de diffraction sont indexés sur la structure rutile tétragonale de SnO₂ (carte JCPDS n° 41-1445) [36]. Les pics de diffraction à 26,7°, 33,9° et 52,0° peuvent être indexés comme les plans de réseau (110), (101) et (211), respectivement. De plus, l'augmentation de l'intensité du SnO₂ des réflexions pour une température de calcination plus élevée indiquent une meilleure cristallinité. Les pics fortement élargis indiquent que le SnO₂ les poudres sont composées de cristallites de petite taille, ce qui concorde bien avec les résultats MET.

un Petit-angle et b modèles XRD grand angle de SnO₂ mésoporeux poudres

Les propriétés texturales et les structures des pores de différents échantillons ont été mesurées par le N₂ isotherme d'adsorption/désorption. Le N₂ courbes isothermes adsorption/désorption du SnO₂ mésoporeux calcinés à différentes températures (Fig. 3a) présentent une branche d'adsorption de type IV avec un type distinct H3 boucle d'hystérésis, et ce type d'isotherme est une caractéristique typique des structures mésoporeuses [37,38,39,40,41]. Le résultat est encore confirmé par les distributions de taille de pores BJH correspondantes (Fig. 3b). Les surfaces spécifiques de Brunauer-Emmett-Teller (BET) (S _PARIER ) de SnO₂ -350 °C, SnO₂ -400 °C et SnO₂ -450 °C ont été calculés comme étant de 281, 356 et 307 m ² /g, sans diminution évidente avec l'augmentation de la température de calcination, indiquant la bonne stabilité thermique du SnO₂ mésoporeux préparé par la méthode d'auto-assemblage induite par évaporation (EISA) en une étape. Pendant ce temps, le volume total des pores (V _pores ) et le diamètre moyen des pores (d _pores ) étaient respectivement de 0,14, 0,28 et 0,22 cm ³ /g et 2,9, 5,3 et 4,7 nm (tableau 1). Il montre une légère augmentation des propriétés de texture de 350 à 400 °C, qui est attribuée à l'élimination complète du modèle organique et à l'interconnexion possible des systèmes de pores, tandis que la minuscule diminution de 450 à 400 °C est due au léger effondrement de la mésostructure.

un Isothermes d'adsorption-désorption d'azote. b Courbes de distribution de la taille des pores BJH correspondantes du SnO₂ mésoporeux poudres

La mésostructure des échantillons a pu être confirmée par les images MET. Images MET typiques de SnO₂ tel que synthétisé des échantillons calcinés à différentes températures sont montrés sur la figure 4. Il montre clairement les mésopores ressemblant à des trous de ver, qui ont été formés par l'agrégation de nanoparticules uniformes. Une telle structure de pores est similaire à celle du SnO₂ échantillons fabriqués par d'autres chercheurs [42, 43]. La structure mésoporeuse semblable à un trou de ver peut être améliorée en augmentant la température de calcination de 350 à 400 °C (Fig. 4a, b). Le modèle SAED (diffraction électronique à zone sélectionnée) de SnO₂ -400 °C (Fig. 4b) démontre la structure polycristalline de la cassitérite, affichant trois larges anneaux de diffraction correspondant aux réflexions (110), (101) et (221), respectivement, qui sont bien cohérents avec les résultats XRD. L'image HRTEM de SnO₂ -400 °C (Fig. 4c) a clairement montré sa frange de réseau et l'espacement des franges de réseau de SnO₂ -400 °C de nanoparticules est de 0,32 nm, ce qui représente le plan basal (110) de SnO₂ cristaux. La structure mésoporeuse peut bien se conserver après calcination à 450 °C (Fig. 4d), indiquant l'excellente stabilité thermique du SnO₂ mésoporeux .

Images TEM de a SnO₂ -350 °C, b SnO₂ -400 °C (l'encart correspond au modèle SAED) et d SnO₂ -450 °C. c Image HRTEM de SnO₂ -400 °C

Les spectres FTIR de différents échantillons sont présentés sur la figure 5a. La bande d'étirement caractéristique à 1658 cm ⁻¹ est affecté au groupe C=O. Les bandes de vibrations se situent à environ 2803, 1381 et 1349 cm ⁻¹ sont attribuées aux vibrations de CH₂ espèce. Les bandes à environ 763 et 623 cm ⁻¹ sont affectés à différents modes de vibration des groupes O–Sn–O et Sn–O–Sn. Il a indiqué qu'il existe un modèle organique résiduel dans l'échantillon SnO₂ -350 °C. Lorsque la température de calcination augmente, les bandes à 1658, 2803, 1381 et 1349 cm ⁻¹ sont diminués en raison de la décomposition des espèces organiques. Ces bandes ont disparu pour l'échantillon SnO₂ -450 °C, indiquant que la matrice tensioactive a été complètement éliminée par calcination à 450 °C. La spectroscopie de photoluminescence (PL) est une technique appropriée pour déterminer la qualité cristalline et la structure fine des excitons [44]. Des spectres d'émission PL à température ambiante ont été réalisés pour étudier les propriétés optiques du SnO₂ mésoporeux . La figure 5b montre les spectres d'émission PL du SnO₂ mésoporeux avec différentes températures de calcination, et la longueur d'onde d'excitation était de 310 nm. Les échantillons calcinés à 400 et 450 °C présentent deux pics principaux dans les spectres d'émission. Une bande d'émission se situe à environ 390 nm et l'autre à environ 458 nm, ce qui indique que l'augmentation de la température de 400 à 450 °C a peu d'effet sur les propriétés optiques des échantillons, car l'écart énergétique du SnO en vrac₂ était de 3,62 eV. Cependant, les pics de SnO₂ -350 °C sont sensiblement plus élevés que ceux des échantillons calcinés à 400 et 450 °C, et cela peut être attribué à la matrice organique résiduelle, qui se traduit par la surface de défauts structuraux [45, 46]. Le pic à 390 nm est indépendant de la concentration des lacunes en oxygène et provient de défauts structurels ou de centres luminescents, tels que les nanocristaux et les défauts de SnO₂ . Les défauts sont principalement localisés à la surface des nanostructures et pourraient former une série de niveaux d'énergie métastables dans la bande interdite du SnO₂ mésoporeux en piégeant les électrons de la bande de valence. Cela contribue à la luminescence ou aux interstitiels de Sn formés lors du processus d'auto-assemblage induit par l'évaporation [47]. Le pic à 458 nm est attribué à des défauts liés à l'oxygène qui ont été introduits au cours du processus de croissance [48]. L'intensité de deux bandes d'émission augmente avec l'augmentation de la température calcinée, tandis que la position des deux bandes d'émission n'a pas de changement évident.

un spectres FTIR. b Les spectres de photoluminescence du SnO₂ mésoporeux échantillons (la longueur d'onde d'excitation est de 310 nm)

Les propriétés de détection de gaz du SnO₂ mésoporeux les capteurs sont illustrés à la Fig. 6. Généralement, la réponse des capteurs de gaz est influencée par sa température de fonctionnement [49, 50]. Par conséquent, les réponses du mésoporeux SnO₂ des capteurs avec différentes températures de calcination jusqu'à 200 ppm d'éthanol à différentes températures de fonctionnement (Fig. 6a) sont étudiés pour déterminer les températures de fonctionnement optimales. Il révèle que les réponses du SnO₂ mésoporeux calciné à 400 °C est resté le plus élevé à différentes températures de fonctionnement, et pourtant, les réponses se sont avérées réduites avec une augmentation ou une diminution de la température de fonctionnement. Cependant, les réponses de SnO₂ mésoporeux calcinés à différentes températures ont la même tendance, augmentant d'abord et diminuant plus tard avec l'augmentation de la température de fonctionnement et le maximum se produit à 200 °C, indiquant que la température de fonctionnement optimale du SnO mésoporeux₂ calciné à des températures différentes de l'éthanol est de 200 °C, et les discussions suivantes sont toutes basées sur les résultats mesurés à 200 °C.

un Réponses du SnO₂ mésoporeux capteurs à 200 ppm d'éthanol à différentes températures de fonctionnement, b réponses par rapport à la concentration d'éthanol, et c courbe de réponse-récupération pour le SnO₂ mésoporeux capteurs (la température de fonctionnement est de 200 °C). d Réponses gazeuses du SnO₂ mésoporeux capteurs à 200 ppm d'éthanol, de méthane, de méthanol et d'acétone fonctionnant à 200 °C

La figure 6b montre les courbes de relation testées à 200 °C entre les réponses et la concentration en éthanol pour le SnO₂ mésoporeux capteurs calcinés à différentes températures. Il montre que la concentration optimale en éthanol est de 200 ppm pour le SnO₂ mésoporeux calciné à différentes températures. SnO mésoporeux₂ calciné à 400 °C présente la réponse la plus élevée, et sa réponse à 200 ppm d'éthanol atteint 41,6, ce qui est beaucoup plus élevé que celui calciné à 350 et 450 °C. La figure 6c affiche les courbes de réponse-récupération du SnO₂ mésoporeux capteurs pour l'éthanol, qui sont testés dans les mêmes conditions (la température de fonctionnement est de 200 °C) afin de faire une comparaison. Il a révélé que la vitesse de réponse du SnO₂ - Le capteur de 400 °C est supérieur à SnO₂ -350 °C et SnO₂ -450 °C. Le temps de réponse et de récupération du SnO₂ -400 °C était respectivement de 31 et 2 s. Avec la concentration d'éthanol augmentant de 10 à 200 ppm, les courbes des propriétés de détection de gaz montrent une tendance à la hausse, et la réponse maximale était de 41,6 à 200 ppm. Cependant, lorsque la concentration d'éthanol augmente continuellement jusqu'à 400 ppm, leur sensibilité diminue et montre une stabilisation de 400 à 2000 ppm, car la sensibilité des capteurs est saturée. De plus, les réponses de SnO₂ -350 °C et SnO₂ -450 °C montre la même tendance variable, mais les réponses sont bien inférieures à celles de SnO₂ -400 °C. La sélectivité est un autre paramètre important pour évaluer la capacité de détection d'un capteur de gaz [51, 52]. La figure 6d montre un graphique à barres du SnO₂ mésoporeux capteurs avec différentes températures de calcination à 200 ppm d'éthanol, de méthanol, de méthanol et d'acétone à la température de fonctionnement de 200 °C. Comme le montre la figure 6d, les capteurs présentent la réponse la plus élevée à l'éthanol par rapport aux autres gaz cibles. De plus, les capteurs sont moins sensibles à l'acétone. Pendant ce temps, la réponse du mésoporeux SnO₂ calciné à 350, 400 et 450 °C à 200 ppm d'éthanol est de 9,3, 41,6 et 30,5, respectivement. On peut également observer que les réponses du SnO₂ -350 °C du capteur à 200 ppm d'éthanol, de méthane, d'acétone et de méthanol sont inférieurs à 10 à 200 °C. Ces résultats démontrent que le SnO₂ mésoporeux tel que préparé les capteurs peuvent détecter sélectivement les vapeurs d'éthanol avec l'interférence d'autres gaz et avoir de bonnes performances en termes de température de fonctionnement et de temps de réponse/récupération.

L'humidité relative (HR) a un effet sur la réponse au gaz des capteurs de gaz à base d'oxyde métallique. Par conséquent, l'influence de l'HR sur ce SnO₂ mésoporeux capteur a été étudié, et les réponses vers 200 ppm d'éthanol sous différentes HR sont illustrées à la Fig. 7a. Il est clair que les réponses diminuent à mesure que l'HR augmente par rapport aux conditions sèches. En dessous de 97 % d'HR, la réponse était d'environ 17,2, 30,3 et 5,1 pour les capteurs SnO₂ -450 °C, SnO₂ -400 °C et SnO₂ -350 °C, qui étaient supérieures aux valeurs trouvées lorsque l'HR était de 43 et 75 %. De plus, le SnO₂ -400 °C s'est avéré moins affecté par la présence d'humidité, montrant une diminution plus faible de la réponse à l'éthanol. La stabilité à long terme du SnO₂ Le capteur de -400 °C a été testé pendant 10 jours sous 200 ppm d'éthanol à la température de fonctionnement de 200 °C, comme le montre la figure 7b. Il est montré que la réponse change chaque jour, mais les écarts maximaux des réponses à l'éthanol sont inférieurs à 10 %. En clair, le capteur basé sur le mésoporeux SnO₂ -400 °C a une excellente stabilité à long terme, qui peut être utilisée comme un candidat prometteur pour des applications pratiques de détection de gaz.

un Réponse du SnO₂ mésoporeux capteurs à 200 ppm d'éthanol en fonction de l'humidité relative à 200 °C. b Stabilité à long terme du SnO₂ -Capteur de 400 °C à 200 ppm d'éthanol à 200 °C

Basé sur les résultats des propriétés de détection de gaz pour le SnO₂ mésoporeux capteurs avec différentes températures de calcination, il a été révélé que le SnO₂ mésoporeux Le capteur -400 °C a les meilleures performances globales, ce qui peut être attribué à la surface et au volume de pores élevés formés par l'induction du processus d'auto-assemblage. Il montre une légère diminution des propriétés de texture et de détection de gaz lorsque la température de calcination augmente de 400 à 450 °C, indiquant que le SnO₂ mésoporeux a une bonne stabilité chimique et une bonne stabilité thermique. De plus, la diminution est due au léger effondrement de la mésostructure. Le mésoporeux SnO₂ Le capteur à -350 °C a les pires performances globales, ce qui est attribué au bouchage du canal par le modèle organique résiduel. Lorsque la température de calcination a atteint 400 °C, le modèle organique a été complètement retiré et peut former les canaux de pores interconnectés pour améliorer davantage les performances de détection de gaz.

Quelques résultats de détection d'éthanol de SnO₂ -Les matériaux à base de la littérature sont résumés dans le tableau 2. Notre SnO₂ mésoporeux les nanoparticules ont montré une meilleure performance de détection de l'éthanol. Le SnO₂ -400 °C montre l'excellente réponse 41,6 à 200 °C pour 200 ppm d'éthanol gazeux. Les résultats indiquent que le SnO₂ mésoporeux tel que synthétisé est un matériau de détection de gaz prometteur pour la détection de l'éthanol.

D'après les résultats ci-dessus, nous avons proposé le mécanisme des propriétés améliorées de détection de gaz sur la figure 8. Généralement, le canal conducteur étroit dans SnO₂ nanocristallins et barrière à haut potentiel entre SnO₂ les nanocristallins font que le capteur de gaz affiche une valeur de résistance élevée. Pendant ce temps, l'accumulation de SnO₂ les nanoparticules entravent la diffusion efficace des gaz, ce qui entraîne la dégradation des propriétés de détection des gaz. Par conséquent, l'amélioration de la structure des pores et l'augmentation de la surface spécifique sont des moyens efficaces d'améliorer la sensibilité du capteur. À l'échelle micro, lorsque le capteur de gaz a été exposé à l'air, les espèces d'oxygène sont ionosorbées sur SnO₂ surface (O₂ ⁻ , O ⁻ ou O ²⁻ ) [18, 53] en piégeant les électrons de la bande de conduction et en créant une couche d'appauvrissement près de la surface des particules. A l'air sec, O ⁻ est l'espèce d'oxygène ionosorbée prédominante [27, 54] ; donc, une réaction entre O ⁻ espèce ionosorbée sur SnO₂ mésoporeux des nanoparticules et de l'éthanol se produit. En conséquence, les électrons sont renvoyés dans la bande de conduction de SnO₂ et le O ⁻ les espèces se transforment en eau et en dioxyde de carbone. Il en résulte une diminution de la couche d'appauvrissement ainsi qu'une diminution de la résistance. Par conséquent, dans les expériences, le SnO₂ mésoporeux avec une surface spécifique élevée peut fournir plus de sites actifs et générer plus d'épices à oxygène chimisorbé à la surface, ce qui augmente la couche d'appauvrissement de SnO₂ . De plus, la structure poreuse et la taille nanométrique du SnO₂ les particules permettent une diffusion efficace de l'oxygène et du gaz d'essai (éthanol) vers les sites actifs, ce qui permet au capteur d'afficher une réponse plus élevée au gaz cible (éthanol).

Illustration schématique du mécanisme de détection d'éthanol du SnO₂ mésoporeux

Conclusions

En résumé, le SnO₂ avec des nanostructures mésoporeuses ont été fabriqués avec succès au moyen d'une technique d'auto-assemblage induite par évaporation, en utilisant le copolymère tribloc P123 comme modèle et le chlorure d'étain (IV) pentahydraté comme précurseur métallique, et calcinés à différentes températures. Les résultats ont révélé que le SnO₂ mésoporeux ont une bonne stabilité chimique et thermique. Dans les études de détection de gaz, le SnO₂ mésoporeux présentait des propriétés de détection de gaz améliorées, telles qu'un temps de réponse/récupération rapide, une sensibilité élevée et une bonne sélectivité de détection à l'éthanol. SnO mésoporeux₂ calciné à 400 °C présente la réponse la plus élevée, et sa réponse à 200 ppm d'éthanol atteint 41,6. Cela pourrait être attribué à leur surface spécifique élevée et à leur structure de pores interconnectés, qui peuvent fournir plus de sites actifs et générer plus d'épices à oxygène chimisorbé pour favoriser la diffusion des molécules d'éthanol et leur adsorption à la surface du SnO₂ . Nous pensons que le mésoporeux SnO₂ pourrait avoir une excellente application de détection dans le domaine de la détection de la pollution, du diagnostic médical et de la sécurité industrielle.

Abréviations

BET :

Brunauer-Emmet-Teller

BJH :

Barrett-Joyner-Halenda

d _pores :

Diamètre moyen des pores

EISA :

Auto-assemblage par évaporation

JCPDS :

Normes de diffraction des poudres du comité mixte

P123 :

(OE)₂₀ (PO)₇₀ (OE)₂₀

PL :

Photoluminescence

S _PARIER :

Surfaces spécifiques

SnO₂ :

Oxyde d'étain

TEM :

Microscopie électronique à transmission

V _pores :

Volume total des pores

XRD :

Diffraction des rayons X