化学法制备的TiO2纳米颗粒室温气体传感性能增强研究

本文系统探讨了通过水热法（hydrothermal method）在不同反应时间（30分钟和60分钟）下制备的二氧化钛纳米棒（TiO2 NRs）对二氧化氮（NO2）气体的室温传感性能。研究通过X射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、能量色散X射线光谱（EDX）和紫外-可见光谱（UV-Vis）等表征手段，证实延长水热反应时间可优化TiO2 NRs的晶体结构、形貌和光学特性，显著提升气体传感器的灵敏度（Sensitivity%）、响应时间和选择性，为室温高效NO2检测提供了可靠方案。

　　

1. 引言

空气污染对人体健康的威胁日益受到关注，其中氮氧化物（NO₂）作为一种常见的有毒气体，亟需开发高灵敏度、高选择性的气体传感器。传统的固态电解质、压电和电化学传感器存在选择性差、电极易毒化和湿度敏感等局限性。金属氧化物半导体（如TiO₂、SnO₂和ZnO）因成本低、灵敏度高而成为研究热点。二氧化钛（TiO₂）纳米结构因其独特的物理化学性质（化学惰性、无毒、高折射率、直接带隙和高熔点）在太阳能电池、光催化、超疏水性和气体传感等领域具有广泛应用。

在多种合成方法中，水热法因其可调控颗粒尺寸、形貌和表面化学性质而备受青睐。该方法通过调节pH、温度和水热反应时间等参数，可大规模制备TiO₂纳米结构（如纳米棒、纳米带和纳米花）。TiO₂具有三种晶相（金红石、锐钛矿和板钛矿），其中金红石相因其晶格参数与氟掺杂氧化锡（FTO）基底匹配，易于外延生长。当TiO₂与氧化性气体（如O₂、CO₂或NO₂）接触时，电阻增加；与还原性气体（如NH₃和H₂）接触时，电阻减小。本研究通过水热法在不同反应时间下制备TiO₂纳米棒，并系统研究其作为NO₂气体传感器的性能。

1.1. 表征方法

研究采用场发射扫描电子显微镜（FESEM）结合能量色散X射线光谱（EDX）获取TiO₂纳米棒的形貌和元素分布；X射线衍射（XRD）分析晶体结构；紫外-可见分光光度计（UV-Vis）测定光学吸收特性。

1.2. 实验方法

TiO₂纳米棒通过水热法在FTO基底上生长。首先使用丙酮、异丙醇和去离子水超声清洗FTO基底，然后将其垂直置于含钛酸丁酯、盐酸和去离子水的聚四氟乙烯烧杯中，在150°C下反应30分钟和60分钟。反应后样品经去离子水清洗，并在300°C下退火1小时。最后通过热蒸发沉积铝电极（厚度约150 nm）。

1.3. 气体传感器系统

传感器系统包括不锈钢圆柱形腔室、数字万用表、旋转泵和温度控制器。通过测量气流电阻变化来评估传感器性能。NO₂气体由硝酸与铜反应生成。传感器响应定义为暴露于NO₂气体时电阻变化与空气中电阻的比值。

1.4. TiO₂纳米棒传感器能带图

TiO₂作为n型半导体，其与NO₂等氧化性气体接触时，表面电子被提取，导致能带弯曲和电阻增加。这一机制是传感器工作的基础。

2. 结果与讨论

FESEM图像显示，TiO₂纳米棒表面均匀，直径随反应时间增加而从32.06 nm（30分钟）增大至44.77 nm（60分钟）。所有样品颗粒尺寸均小于100 nm，且呈球形并伴有团聚现象。纳米棒顶部粗糙、长度均一，并沿相同方向密集排列。延长反应时间导致纳米棒尺寸增大，直径增长较长度更为明显。

EDX分析证实样品中存在钛（Ti）和氧（O）元素，原子百分比分别为38.29%和45.78%，表明TiO₂纳米棒成功合成。

XRD图谱显示TiO₂纳米棒为金红石相（四方晶系），主要衍射峰对应（101）、（111）、（211）和（002）晶面。增强的（002）峰（62.8°）表明纳米棒沿（001）方向生长。根据Scherrer公式计算，晶体尺寸从30分钟的16.3 nm增加至60分钟的17.7 nm。

紫外-可见吸收光谱表明，TiO₂纳米棒在短波长（低于390 nm）有强吸收。随反应时间增加，吸收边红移，吸收强度增强。通过Tauc图计算，光学带隙从3.64 eV（30分钟）减小至3.56 eV（60分钟），这与电子传输路径缩短和带隙窄化有关。

霍尔效应测量显示，载流子浓度从8.9 cm^?3降至7.7 cm^?3，而载流子迁移率从14.8 cm²/V·s增至15.3 cm²/V·s，归因于晶界增长和晶格分布变化。

气体传感测试表明，暴露于NO₂气体时，TiO₂薄膜电阻增加；关闭气体后，电阻减小。这是因为NO₂分子吸附在TiO₂表面，消耗电子，导致电导率降低。传感器灵敏度随反应时间增加而提高，60分钟样品在室温下的灵敏度为12.071%，优于30分钟样品的5.662%。最佳工作温度为100°C，此时灵敏度最高（69.873%），响应时间和恢复时间分别为26.1秒和62.1秒。传感器还表现出良好的重复性、长期稳定性、选择性和耐湿性。

3. 结论

通过水热法在不同生长时间下制备的TiO₂纳米棒成功应用于NO₂气体传感器。延长反应时间优化了晶体结构、形貌和光学特性，带隙窄化至3.56 eV，显著提高了室温下的气体传感性能。60分钟反应时间的样品表现出最高灵敏度和稳定性，为室温高效NO₂检测提供了可靠方案。该研究还可拓展至其他气体检测以及太阳能电池和医疗应用等领域。

伦理声明

本研究经巴格达大学地方伦理委员会批准。

利益冲突

作者声明无利益冲突。

作者贡献

Hind Fadhil Oleiwi、Aseel J. Rahma和Nisreen S. Turki共同参与研究设计、实施、结果分析和论文撰写。

资金来源

本研究未获得任何资助。