分层Fe2O3/NiO复合材料的多维模板合成及其纳米级p-n异质结促进的优异乙醇传感性能

DOI: 10.1039/C9DT04185K 

采用静电纺丝和液相反应相结合的方法，制备了由多维构建模块构成的分层NiO基纳米结构。通过离子交换反应将Fe元素嵌入到高度均匀分布的NiO纳米结构中。成功合成了一系列具有不同组成的Fe₂O₃/NiO复合材料，并很好地保留了分层结构。采用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、能谱仪（EDS）和电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）对合成产物的结构进行了表征，确定了合成产物的形成机理。系统研究了Fe₂O₃/NiO层状复合材料的气敏性能。优化后的Fe₂O₃/NiO对乙醇具有出色的传感性能，如灵敏度高、响应速度快、选择性好等。传感材料的高气敏性能主要归功于n型Fe₂O₃与p型NiO异质结组装的完整性，以及纳米级上组装异质结所带来的放大效应。

图1.（a）CNFs、（b）CNFs@Ni(OH)2、（c）CNFs@FexNi1-x(OH)2+x-1和（d）Fe₂O₃/NiO-1复合材料的SEM图像。插图：（e）CNFs@Ni(OH)2、（f）CNFs@FexNi1-x(OH)2+x-1和（g）Fe₂O₃/NiO-1复合材料的EDS光谱。

图2.分层Fe₂O₃/(1-x)NiO复合材料的SEM图像和相应的EDS光谱：（a-c）p-NiO、（d-f）Fe₂O₃/NiO-1、（g-i）Fe₂O₃/NiO-4和（j-l）Fe₂O₃/NiO-1（MS），采用ICP法测定相对含量（插图）。

 图3.制备的Fe₂O₃/(1-x)NiO复合物样品中Fe的相对含量汇总。

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

图5.不同放大倍率的Fe₂O₃/NiO-1的TEM图像。

图6.（a）在240至340℃的工作温度下，p-NiO、p-Fe₂O₃、Fe₂O₃/NiO-1（MS）、Fe₂O₃/NiO-1、Fe₂O₃/NiO-3、Fe₂O₃/NiO-4和Fe₂O₃/NiO-5 对100 ppm乙醇的响应，（b）在最佳工作温度下，p-NiO、Fe₂O₃/NiO-1（MS）、Fe₂O₃/NiO-1和Fe₂O₃/NiO-4对100、200和500 ppm乙醇的动态响应。

图7.在最佳工作温度下，p-NiO、Fe₂O₃/NiO-1（MS）、Fe₂O₃/NiO-1、Fe₂O₃/NiO-4和p-Fe₂O₃的气敏特性：（a）对3-1000 ppm范围内不同浓度乙醇的响应；（b）对各种目标气体（100 ppm）的选择性。

图8.在工作温度为280℃时，随浓度的升高Fe₂O₃/NiO-1对乙醇的实时响应曲线。

图9.（a）Fe₂O₃/NiO复合材料的分层结构示意图，（b）提出了各种Fe₂O₃/NiO复合材料的气敏机理，以p-NiO、Fe₂O₃/NiO-1（MS）、Fe₂O₃/NiO-1和Fe₂O₃/NiO-4为典型样品。