胡蝶 曾大文 徐铿

摘 要：文章通过简单的水热反应制备出了二氧化锡颗粒修饰硫化锡基气敏材料。通过SEM、TEM、XPS等表征结果表明二氧化锡颗粒大量复合在硫化锡表面。通过气敏性能的测试发现，在可见光激发下材料对NH3表现出优异的气敏性能，对50ppm NH3的敏感性是纯硫化锡器件的4倍。文章通过测试结果对光气敏原理做了分析。

关键词：二硫化锡；二氧化锡；室温气敏；氨气

经济与科学技术的高速发展使得人们的生活水平逐步提高，但同时带来的危害也不断增加。生产生活产生的有毒气体类似于氨气对人体有很大的危害，有可能会导致呼吸性疾病甚至可能窒息[1]。为此检测空气中是否含有氨气对于有效的防治危险发生有着重要的意义。

二硫化锡具有2.2-2.35eV光学带隙[2]，在室温下表现出了优异的电性能和气敏感应性能[3]，作为新一代的先进的室温的材料已被广泛应用各行各业，并已被用于氨气的检测。但是由于制备方法不稳定、器件制作复杂和气敏性能不高而有待改善。文章通过简单的水热反应在二硫化锡纳米片上复合了二氧化锡颗粒，通过性能测试发现复合材料在可见光激发下对氨气的气敏性能比原材料提高了4倍左右。

1 材料制备

将4mmol的氯化亚锡溶解在去离子水中超声五分钟，加入60mmol的硫代乙酰胺并将混合物在室温下搅拌三十分钟。将混合物转移至反应釜中，在160℃条件下水热反应12h，冷却至室温后清洗多次，放置于干燥箱中烘干。用烧杯取40ml蒸馏水，加入10mg制备所得SnS2粉末超声15分钟后滴加1800μL HCl，同时加入1g氯化亚锡，超声20mins后磁力搅拌两小时并清洗烘干。传感器的敏感度可以用匹配电阻在空气与被测试气氛中的测试电流来表示：R=（Ig-Ia）/Ia×100%。

2 结果与讨论

2.1 SEM和TEM结果分析

图1 SnS2/SnO2复合材料的（a）SEM；（b）TEM

从图1中可以看出，复合所得产物主要为片状材料，材料的直径约在2-3μm左右，纳米片的厚度约为10nm左右。纳米片表面有很多小颗粒。片状体无规则的堆叠在一起形成支撑结构，增加了片面之间的空隙，这有助于材料内部的气体分散。从图1（b）中可以看出基板材料间距为0.322nm，对应了二硫化锡的（100）晶面，基板上附着的颗粒的晶面间距为0.358nm，对应二氧化锡的（110）晶面。

2.2 XPS结果分析

图2 SnO2/SnS2复合物的Sn元素XPS图谱

从图2中看到，在486.5eV，487.2eV，495.1eV和495.5eV四个位置有明显的峰强，这与SnS2中的Sn-S键（结合能在486.7 eV和495.2 eV）[3]以及SnO2中所含的Sn-O键（结合能在487.0 eV和 495.5 eV）[4]符合。

2.3 光电气敏性能测试（如图3所示）

为了比较二硫化锡在复合二氧化锡前后的光电气敏性能变化，我们用纯二硫化锡纳米片做了同等条件下的对比试验。我们采用10v电压持续通入50ppmNH3，在相同时间下打开白光和断掉白光，可以看到 SnO2/SnS2复合材料的电流增量为纯SnS2材料的4倍左右，计算可得其响应也约为纯硫化锡纳米片的4倍。

图4 SnO2/SnS2复合物对不同浓度氨气的响应曲线

图4是复合材料在不同浓度氨气下的响应结果。从图4中可以看出，随着氨气的浓度从50ppm逐渐增加至250ppm，材料在白光下的响应曲线增幅逐渐增加，这主要是因为氨气浓度增大后，参与材料表面气固反应的气体浓度增加，材料内部的载流子浓度的变化幅度，而当载流子浓度变化幅度越大，响应度越大。

3 结束语

本实验目的在于改善纯硫化锡纳米片的氨气气敏性能，在其原有的响应基础上，通过水热原位复合方法复合禁带宽度匹配良好的氧化锡纳米颗粒，改善其对氨气的气敏性能。这种方法不仅操作简单，对实验条件要求较低，并且制备产物量大，原料价格便宜。通过表征和气敏性能测试，我们发现复合所得的材料上成功的生长了大量分散均一、粒径在5nm左右的氧化锡纳米颗粒，同时通过气敏测试结果发现SnO2/SnS2复合材料对50ppm的氨气的气敏响应度约为1.2，远高于纯SnS2纳米片的响应。这主要是因为气固交互的化学反应过程将气体信号转化为了材料内部的电信号，同时纳米颗粒与基板之间增加电子空穴分离效应的异质结存在，使得材料对测试气体有了一个显着的气敏响应。

参考文献

[1]Wang J，Zhang W，Li L，et al. Breath ammonia detection based on tunable fiber laser photoacoustic spectroscopy[J]. Applied Physics B. 2011，103（2）： 263-269.

[2]程莉莉.锡硫化合物薄膜的制备及其光电特性研究[D].华中科技大学，2013.

[3]Zhang Y C，Du Z N，Li K W，et al. High-Performance Visible-Light-Driven SnS2/SnO2 Nanocomposite Photocatalyst Prepared via In situ Hydrothermal Oxidation of SnS2 Nanoparticles[J].ACS Applied Materials & Interfaces，2011，3（5）：1528-1537.

[4]Wang Y，Aponte M，Leon N，et al. Synthesis and Characterization of Ultra-Fine Tin Oxide Fibers Using Electrospinning[J].Journal of the American Ceramic Society，2005，88（8）：2059-2063.

作者简介：胡蝶（1990，4-），女，籍贯：湖北省洪湖市，学历：硕士，研究方向：气敏智能传感器。