基于Pt修饰SnO2纳米粒子的高选择性CO气体传感器

Highly Selective CO Gas Sensor Based on Pt Modified SnO2 Nanoparticles

摘要:

随着科技的进步和经济的快速发展，能源需求不断增长，传统的化石能源仍然是最主要的能源来源。然而，在实际应用中难免会出现能源不完全燃烧的现象，这种现象会导致有害气体CO 的产生。CO作为一种无色、无味的有毒气体，不仅在汽车排放、天然气生产、工业活动等领域中存在，而且还与众多火灾事故密切相关，已成为主要的气体污染物之一。因此，开发具有高灵敏度和高选择性的CO传感器，以实现对CO气体的实时监测，对于环境保护、公共安全和工业生产至关重要。采用浸渍法将铂（Pt）负载到二氧化锡（SnO₂)纳米颗粒表面，利用控制变量法优化制备过程中的还原烧结温度、还原烧结时间和负载量等关键参数。结果表明，当还原烧结温度为550 ℃、还原烧结时间为30 min、Pt负载量（质量分数）为0.6 %时，Pt-SnO₂复合材料表现出最佳的传感性能。将该材料制成浆料，并通过丝网印刷法制造了Pt-SnO₂传感器。该传感器在250 ℃的工作温度下，对浓度0.1% CO气体的响应（R_a/R_g，其中R_a为在空气中的电阻、R_g为在CO气体中的电阻）达到了81.3，约为纯SnO₂传感器响应（2.38）的40倍。此外，Pt-SnO₂传感器在CO浓度0.01%—0.1%范围内呈现出良好的线性度响应，并且在对其他常见气体（如H₂、CO₂、CH₄和SO₂）的测试中展现出良好的CO选择性。表明，Pt负载的SnO₂复合材料对CO气体具有显著的传感增效作用。通过对反应机理的分析发现，Pt的负载是通过化学增敏（溢出机制）和电子增敏（肖特基势垒）的协同作用，显著提高了传感器的性能。将Pt-SnO₂复合材料应用于高性能CO气体传感器中，为CO气体传感器的设计和优化提供了理论依据和实验支持。

Abstract:

This study utilized an impregnation method to load Pt onto the surface of SnO₂ nanoparticles， optimizing process parameters including reduction temperature， reduction time， and loading amount. The results indicated that the Pt-SnO₂ composite material， with a reduction temperature of 550 ℃， a reduction time of 30 minutes， and a loading amount of 0.6%， demonstrated the best performance. The CO sensor， prepared by converting the material into a slurry and using screen printing， showed a response （R_a/R_g， where R_a is the resistance in air and R_g is the resistance in CO） of 81.263 to 0.1% carbon monoxide gas at an operating temperature of 250 ℃， which is nearly 40 times higher than the response （2.38） of a pure SnO₂ gas sensor. Furthermore， the Pt-SnO₂ sensor exhibited excellent linearity within the 0.01% to 0.1% range of carbon monoxide and demonstrated strong CO selectivity against H₂， CO₂， CH₄， and SO₂. The enhancement in CO sensing performance due to Pt loading can be attributed to the synergistic effects of the overflow mechanism （chemical sensitization） and the Schottky barrier （electronic sensitization）. This research confirms the feasibility of using Pt-SnO₂ materials for high-performance CO sensors.