二维碳化钛/氧化锌纳米颗粒的制备及其乙醇气敏性能研究

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2023-0511

无机盐工业 ›› 2024, Vol. 56 ›› Issue (8): 33-39.doi: 10.19964/j.issn.1006-4990.2023-0511

二维碳化钛/氧化锌纳米颗粒的制备及其乙醇气敏性能研究

李曌¹(), 尹优优¹^,³, 刘晨辉¹, 王访¹, 高冀芸¹^,²()

1.云南民族大学化学与环境学院，云南昆明 650500
2.云南省教育厅环境功能材料重点实验室，云南昆明 650500
3.红河卫生职业学院，云南红河 651400

收稿日期:2023-10-22 出版日期:2024-08-10 发布日期:2024-09-26
通讯作者: 高冀芸（1989— ），女，博士，讲师，主要研究方向为微纳气体传感器开发及低浓度有害气体检测；E-mail：jiyungao89@163.com。
作者简介:李曌（2002— ），女，主要研究方向为微纳气体传感器开发及低浓度有害气体检测；E-mail：lz1103606664@163.com。
基金资助:
云南省教育厅科学研究基金项目(2022J0441);大学生创新创业项目

Study on preparation of two⁃dimensional titanium carbide/zinc oxide nanoparticles and their ethanol gas sensitive properties

LI Zhao¹(), YIN Youyou¹^,³, LIU Chenhui¹, WANG Fang¹, GAO Jiyun¹^,²()

1.School of Chemistry and Environment，Yunnan Minzu University，Kunming 650500，China
2.Key Laboratory of Environmental Functional Materials，Yunnan Provincial Department of Education，Hongehe 650500，China
3.Honghe Health Vocational College，Honghe 651400，China

Received:2023-10-22 Published:2024-08-10 Online:2024-09-26

摘要/Abstract

摘要：

通过水热法和液相化学刻蚀法分别制备氧化锌纳米颗粒（ZnO NPS）和二维层状碳化钛（Ti₃C₂T _x ），采用静电自组装技术得到不同质量比的碳化钛/氧化锌（Ti₃C₂T _x /ZnO）复合材料，通过丝网印刷得到气敏传感膜，并研究了其气敏特性。通过X射线粉末衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等方法对合成材料进行了结构表征。结果表明，ZnO NPs均匀分布在具有二维手风琴状的Ti₃C₂T _x 表面并穿插在层间。在复合材料对乙醇、丙酮、甲醇、甲醛、甲苯等5种典型的挥发性有机物（VOCs）气体的检测中，发现其对乙醇气体表现出优异的传感性能。在最佳工作温度（250 ℃）下，样品M/ZNPS1（Ti₃C₂T _x 质量分数为6.25%）对体积分数为0.01％的乙醇灵敏度（R_a/R_g=11.27）比纯Ti₃C₂T _x （R_a/R_g=1.28）高约8.8倍，且具有出色的响应/恢复时间（4 s/8 s）和优异的选择性、长期稳定性。着重从载流子在电极间的输运行为角度对Ti₃C₂T _x /ZnO复合材料的气敏机理进行了讨论，该材料对低浓度乙醇气体的检测有着潜在的应用前景。

关键词: 碳化钛/氧化锌复合材料, 静电自组装, 乙醇气敏传感器, 敏感机理

Abstract:

Zinc oxide nanoparticles（ZnO NPs） and two⁃dimensional layered titanium carbide（Ti₃C₂T _x ） were synthesized via hydrothermal method and liquid phase chemical etching，respectively.Titanium carbide/zinc oxide（Ti₃C₂T _x /ZnO） composites with varying mass ratios were prepared using electrostatic self⁃assembly technology.Gas⁃sensitive sensing films were fabricated through screen printing and their gas sensitive properties were studied.The composite structure was characterized by X-ray powder diffraction（XRD） and scanning electron microscopy（SEM）.The results showed that ZnO NPs were uniformly distributed on the surface of Ti₃C₂T _x with a two⁃dimensional accordion shape and interspersed between layers.In the detection of five typical VOCs gases including ethanol，acetone，methanol，formaldehyde，and toluene，the composite exhibited excellent sensing performance towards ethanol gas.At an optimal operating temperature of 250 ℃，M/ZNPS1（with a Ti₃C₂T _x mass fraction of 6.25%） displayed a sensitivity（R_a/R_g=11.27） to ethanol at a volume fraction of 0.01%，which was 8.8 times higher than that of pure Ti₃C₂T _x alone（R_a/R_g=1.28）.Furthermore，it demonstrated exceptional response/recovery time characteristics（4 s/8 s），as well as remarkable selectivity and long⁃term stability.The gas⁃sensitive mechanism of Ti₃C₂T _x /ZnO composites was discussed from the point of view of carrier transport between electrodes，which had a potential application prospect for low concentration ethanol gas.

Key words: titanium carbide/zinc oxide composites, electrostatic self?assembly, ethanol gas?sensitive sensor, sensitive mechanism

中图分类号:

TP212.2

李曌, 尹优优, 刘晨辉, 王访, 高冀芸. 二维碳化钛/氧化锌纳米颗粒的制备及其乙醇气敏性能研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(8): 33-39.

LI Zhao, YIN Youyou, LIU Chenhui, WANG Fang, GAO Jiyun. Study on preparation of two⁃dimensional titanium carbide/zinc oxide nanoparticles and their ethanol gas sensitive properties[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2024, 56(8): 33-39.

图/表 10

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图10

参考文献 24

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