分層Fe2O3/NiO復合材料的多維模板合成及其納米級p-n異質結促進的優異乙醇傳感性能

DOI: 10.1039/C9DT04185K 

采用靜電紡絲和液相反應相結合的方法，制備了由多維構建模塊構成的分層NiO基納米結構。通過離子交換反應將Fe元素嵌入到高度均勻分布的NiO納米結構中。成功合成了一系列具有不同組成的Fe₂O₃/NiO復合材料，并很好地保留了分層結構。采用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射線衍射（XRD）、能譜儀（EDS）和電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES）對合成產物的結構進行了表征，確定了合成產物的形成機理。系統研究了Fe₂O₃/NiO層狀復合材料的氣敏性能。優化后的Fe₂O₃/NiO對乙醇具有出色的傳感性能，如靈敏度高、響應速度快、選擇性好等。傳感材料的高氣敏性能主要歸功于n型Fe₂O₃與p型NiO異質結組裝的完整性，以及納米級上組裝異質結所帶來的放大效應。

圖1.（a）CNFs、（b）CNFs@Ni(OH)2、（c）CNFs@FexNi1-x(OH)2+x-1和（d）Fe₂O₃/NiO-1復合材料的SEM圖像。插圖：（e）CNFs@Ni(OH)2、（f）CNFs@FexNi1-x(OH)2+x-1和（g）Fe₂O₃/NiO-1復合材料的EDS光譜。

圖2.分層Fe₂O₃/(1-x)NiO復合材料的SEM圖像和相應的EDS光譜：（a-c）p-NiO、（d-f）Fe₂O₃/NiO-1、（g-i）Fe₂O₃/NiO-4和（j-l）Fe₂O₃/NiO-1（MS），采用ICP法測定相對含量（插圖）。

 圖3.制備的Fe₂O₃/(1-x)NiO復合物樣品中Fe的相對含量匯總。

圖4.p-NiO、Fe₂O₃/NiO-1（MS）、Fe₂O₃/NiO-1和Fe₂O₃/NiO-4的XRD圖譜。

圖5.不同放大倍率的Fe₂O₃/NiO-1的TEM圖像。

圖6.（a）在240至340℃的工作溫度下，p-NiO、p-Fe₂O₃、Fe₂O₃/NiO-1（MS）、Fe₂O₃/NiO-1、Fe₂O₃/NiO-3、Fe₂O₃/NiO-4和Fe₂O₃/NiO-5 對100 ppm乙醇的響應，（b）在最佳工作溫度下，p-NiO、Fe₂O₃/NiO-1（MS）、Fe₂O₃/NiO-1和Fe₂O₃/NiO-4對100、200和500 ppm乙醇的動態響應。

圖7.在最佳工作溫度下，p-NiO、Fe₂O₃/NiO-1（MS）、Fe₂O₃/NiO-1、Fe₂O₃/NiO-4和p-Fe₂O₃的氣敏特性：（a）對3-1000 ppm范圍內不同濃度乙醇的響應；（b）對各種目標氣體（100 ppm）的選擇性。

圖8.在工作溫度為280℃時，隨濃度的升高Fe₂O₃/NiO-1對乙醇的實時響應曲線。

圖9.（a）Fe₂O₃/NiO復合材料的分層結構示意圖，（b）提出了各種Fe₂O₃/NiO復合材料的氣敏機理，以p-NiO、Fe₂O₃/NiO-1（MS）、Fe₂O₃/NiO-1和Fe₂O₃/NiO-4為典型樣品。