静电纺丝法制备二氧化锡纳米纤维在传感领域的应用研究
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摘 要：二氧化锡纳米纤维具有优异的物理化学性能，并且具有易合成的特点，已被广泛的应用于传感领域，它不仅仅可以被用于很多气体的探测，还可以进行湿度、紫外线的探测。文章在叙述二氧化锡纳米纤维所具备的优异性能的基础上，简单介绍了二氧化锡纳米纤维探测气体、湿度、紫外线的原理，并例举了近几年二氧化锡纳米纤维在传感领域的应用。
中图分类号：TQ343 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）08（a）-0140-02
二氧化锡（SnO2）在室温下的禁带宽度为3.6 eV，是一种重要的宽带隙半导体材料。SnO2所具有的优异性能，使它成为了一种优异的敏感材料，被广泛应用于传感领域，特别是在气体敏感[1]、湿度敏感[2]、紫外探测[3]等方面。
相比于二维、三维纳米材料，一维纳米材料具有更大的比表面积以及更加优异的物理、化学性能，已成为构建纳米器件的理想模块[4]。与传统方法相比，静电纺丝法制备一维纳米材料具有成本低、效率高的特点，基于以上，静电纺丝法制备二氧化锡纳米纤维具有良好的应用前景并且已引起广泛关注。该文综述了近年来利用静电纺丝法制备SnO2纳米纤维并应用于传感领域的研究成果。
1 静电纺丝法制备SnO2纳米纤维用于气体和湿度探测
SnO2作为一种含有本征氧空位的n型半导体，当气体分子在其表面形成吸附时，其电导率容易发生发变化。氧分子或水分子吸附其表面时，会使其电导率下降；还原性气体吸附其表面时，会使其电导率升高[5]。
1.1 静电纺丝法制备SnO2纳米纤维在气体探测中的应用
张彤等[6]利用静电纺丝法得到了直径在80～150 nm之间的SnO2纳米纤维，另外，张基于所制备纳米纤维制作了烧结型旁热式气敏元件，用于甲苯气体的检测，实验结果表明，350 ℃下，在甲苯浓度为50 ppm时，元件灵敏度高达300%，并且具有较快的响应与恢复。
具有中空结构的纳米纤维相比普通纳米纤维具有更高的比表面积。Kadir等[7]利用静电纺丝法制备了具有中空结构的SnO2纳米纤维，并发现纳米纤维的直径可以通过调节前驱液中聚丙烯腈的含量进行调控，测试发现，在最佳工作温度（150 ℃）下，实验制备的SnO2纳米纤维对浓度为1%的氢气灵敏度约为240%，响应和恢复时间分别为21 s和330 s。
1.2 静电纺丝法制备SnO2纳米纤维在湿度探测中的应用
Pascariu等[8]利用静电纺丝技术和退火工艺制备了NiO-SnO2纳米纤维，研究发现，所制备纳米纤维具有多孔结构，并且NiO的存在使材料的湿敏性能大大提高，在室温（25 ℃）条件下，在0～100%RH湿度环境下进行测量，实验结果表明，在100%RH条件下，其灵敏度达85%，响应和恢复时间仅为18.4 s和37.2 s。
合适的掺杂会对材料的性能有较大提高。Song等[9]将无机材料KCl掺入SnO2纳米纤维中以改善纯SnO2纳米纤维的性能，并且在室温、11%～95%RH的湿度环境中进行测试，实验发现，当KCl与SnO2的质量比达15%时，具有最佳的感湿性能：较小的湿滞回差、较好的重复再现性、较快的响应（约5 s）、较快的恢复（约6 s）。
2 静电纺丝法制备SnO2纳米纤维用于紫外探测
SnO2是一种n型半导体材料材料，当置于空气中时，空气中的氧气就会吸附于SnO2纳米材料表面，并且与材料中的电子相结合，形成氧离子，由于材料内部电子减少，因此，材料电导率降低，暗状态下的电流也就较小；而当紫外光照射到SnO2纳米材料表面时，SnO2纳米材料中会产生大量的空穴-电子对，产生的空穴来到表面与氧离子相结合释放氧，故此时材料中的电子浓度升高，材料的电导率升高，通过它的电流也随之增大。因此，SnO2纳米材料可以构成优异的光电探测器件。
李小东[10]首先利用静电纺丝法制备了具备金红石相的SnO2纳米纤维，然后将其沉积于FTO导电基底上，最后利用溶液异质外延生长技术得到了TiO2-SnO2树枝状异质结构，实验结果表明，零偏压下，在强度为40 mW/cm2、波长为365 nm的紫外光照射下，文章所述结构具有优异的紫外探测性能：高开关比（约4 550）、快响应（约0.03 s）、快恢复（约0.01 s）。
3 结语
SnO2纳米纤维不仅仅具有良好的物理化学性能，而且具有成本低、容易量产等优点，已成为近些年来的研究热点之一。尽管如此，SnO2纳米纤维于传感领域的应用仍然存在一定的问题，比如：环境温度、环境的复杂性等因素都有可能对材料产生影响，这些问题限制了SnO2纳米纤维的广泛应用。因此，仍旧需要进一步研究，改善得到对环境要求不苛刻的材料，获得更好敏感特性。
参考文献
[1] Yang D J， Kamienchick I， Youn D Y， et al. Ultrasensitive and highly selective gas sensors based on electrospun SnO2 nanofibers modified by Pd loading[J].Advanced Functional Materials，2010，20（24）：4258-4264.
[2] 曹春岳.运用介电泳技术将SnO2纳米球体作为敏感元件的相对湿度传感器特性[J].华东师范大学学报：自然科学版，2012（5）：16-23.
[3] 冯喜宁.氧化物纳米结构在紫外探测器件上的应用研究[D].西南大学，2014.
[4] 郭天超，高瑜，韩雪，等.静电纺丝法制备二氧化锡基纳米纤维气体敏感材料的研究进展[J].广东化工，2016，43（14）：90-91.
[5] 黄思雅.氧化物纳米纤维的电纺丝法制备、器件组装与光电性能[D].清华大学，2014.
[6] 张彤，刘奎学，漆奇，等.一维纳米金属氧化物半导体材料气、湿敏特性的研究[C]//全国敏感元件与传感器学术会议.2009.
[7] Kadir R A， Li Z， Sadek A Z， et al.Electrospun granular hollow SnO2 nanofibers hydrogen gas sensors operating at low temperatures[J]. The Journal of Physical Chemistry C，2014，118（6）：3129-3139.
[8] Pascariu P， Airinei A， Olaru N， et al. Microstructure， electrical and humidity sensor properties of electrospun NiOCSnO2 nanofibers[J]. Sensors and Actuators B： Chemical，2016，222：1024-1031.
[9] Song X， Qi Q， Zhang T， et al. A humidity sensor based on KCl-doped SnO2 nanofibers[J]. Sensors and Actuators B： Chemical， 2009，138（1）：368-373.
[10] 李小东.染料敏化太阳能电池光阳极研究和一种新型光电化学紫外光探测器[D].兰州大学，2013.