研究目的
利用具有可调原位生长WO3纳米颗粒的分层WO3/ZnWO4一维纤维异质结构,开发高效低浓度甲醛检测传感器。
研究成果
通过引入ZIF-8一步电纺制备的具有原位生长WO3纳米颗粒的分层WO3/ZnWO4一维纤维异质结构,在低浓度甲醛检测中展现出优异的气敏性能。由于异质结协同效应、大比表面积、多反应位点及独特电子传输特性,WO3/ZnWO4-5%传感器对5ppm甲醛表现出最高响应值(44.5)、快速响应/恢复时间(12/14秒)及卓越稳定性。该设计策略对开发先进气体传感器具有重要潜力。
研究不足
该研究仅限于甲醛检测,可能不适用于其他气体。合成过程依赖特定条件(如静电纺丝参数和煅烧温度),这可能影响重现性。使用ZIF-8增加了复杂性,且最佳性能仅在精确控制ZIF-8用量(例如5%)时才能实现,表明其对组分控制具有敏感性。超过30天的长期稳定性以及湿度以外其他环境因素的影响尚未充分探究。
1:实验设计与方法选择:
本研究采用一步静电纺丝技术结合煅烧工艺制备层级结构WO3/ZnWO4一维纤维异质结。通过将ZIF-8引入前驱体溶液,利用成核竞争和晶面匹配机制在热处理过程中调控相组成与形貌。
2:样品选择与数据来源:
样品包括纯WO3纳米纤维、WO3/ZnWO4-5%和WO3/ZnWO4-10%复合材料,分别添加不同用量ZIF-8(0.05 mmol和0.1 mmol)。ZIF-8纳米颗粒单独合成后加入静电纺丝前驱体。
3:05 mmol和1 mmol)。ZIF-8纳米颗粒单独合成后加入静电纺丝前驱体。 实验设备与材料清单:
3. 实验设备与材料清单:设备包含静电纺丝机(FM-1206,北京未来材料科技有限公司)、X射线衍射仪(XRD,D8-ADVANCE,布鲁克公司)、场发射扫描电镜(QUANTA 250 FEG,FEI美国)、透射电镜(Tecnai F20,FEI)、拉曼光谱仪(LabRAM HR Evolution,HORIBA JOBIN YVON SAS)、紫外可见分光光度计(日立U-4100)、X射线光电子能谱仪(ESCALAB 250)、多功能吸附光谱仪(MFA-140,北京彼奥德公司)及气体传感分析系统(CGS-4TPs,北京埃德尔泰克科技有限公司)。材料包括聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、钨酸、氨水、乙醇、去离子水、Zn(NO3)2·6H2O、2-甲基咪唑、甲醇及商用陶瓷基底(带Ag-Pd叉指电极)。
4:0)、X射线光电子能谱仪(ESCALAB 250)、多功能吸附光谱仪(MFA-140,北京彼奥德公司)及气体传感分析系统(CGS-4TPs,北京埃德尔泰克科技有限公司)。材料包括聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、钨酸、氨水、乙醇、去离子水、Zn(NO3)2·6H2O、2-甲基咪唑、甲醇及商用陶瓷基底(带Ag-Pd叉指电极)。 实验流程与操作步骤:
4. 实验流程与操作步骤:制备WO3纳米纤维时,将PVP溶于乙醇-水混合液,钨酸溶于氨水后混合,以18 kV电压、18 cm接收距离、7 μL/min推进速度纺丝,600°C煅烧2小时。ZIF-8通过Zn(NO3)2·6H2O和2-甲基咪唑在甲醇中溶解、搅拌、静置、洗涤干燥制得。制备WO3/ZnWO4复合材料时,先将ZIF-8分散于乙醇并加入前驱体溶液,再进行纺丝煅烧。气体传感测试包括样品涂覆基底、干燥、120-300°C预热、注入甲醛并测量电阻变化。
5:数据分析方法:
气体响应定义为Ra/Rg(Ra为空气中电阻,Rg为甲醛中电阻)。通过XRD、SEM、TEM、拉曼、XPS、BET及气体传感测试数据分析材料结构、形貌、组分及传感性能。
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X-ray diffractometer
D8-ADVANCE
Bruker Corporation
Used to observe ingredient and phase composition of materials.
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field-emission scanning electron microscope
QUANTA 250 FEG
FEI
Used to obtain morphology and energy dispersive spectrometer analysis.
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transmission electron microscope
Tecnai F20
FEI
Used to further observe morphology and structure information.
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UV-Vis spectrometer
Hitachi U-4100
Hitachi
Used to measure UV-Vis diffuse reflectance spectra.
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electrostatic spinning machine
FM-1206
Beijing Future Material Sci-tech Co., Ltd
Used for electrospinning to fabricate nanofibers and heterostructures.
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Raman spectrometer
LabRAM HR Evolution
HORIBA JOBIN YVON SAS
Used to measure Raman spectra.
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X-ray photoelectron spectrometer
ESCALAB 250
Used to measure XPS spectra.
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multifunction adsorption spectroscopy
MFA-140
Builder Company, Beijing
Used to exhibit data of specific surface area and pore size distribution.
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gas sensing analysis system
CGS-4TPs
Beijing Elite Tech Co., Ltd
Used to detect gas-sensing performances.
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