使用SmFeO3气体传感器检测空气中的臭氧，用于空气质量分类
1.导言
具有镧系元素（Ln）和三价阳离子（M）的钙钛矿型LnMO3氧化物是很适用于催化的材料之一，1）燃料电池的电极和固体电解质，2），3）气体传感器，4）7）等。钙钛矿类型材料已用于NO2气体传感器，因为在空气中制备的许多钙钛矿类氧化物显示p型半导体性质，并且它们的电导率随着氧化气体的吸附而增加。8） 15）臭氧用于食品、制药、纺织、化学工业、水处理、气体净化等领域。此外，臭氧在很高海拔约30km处的浓度高达8ppm，是地球上生命所必需的，其功能是防止紫外线辐射的保护层。另一方面，臭氧是夏季烟雾和有毒物质的一部分。在办公室环境中，复印机和激光打印机会产生臭氧。大多数国家的立法都规定了长时间和短时间接触臭氧的阈值。关于臭氧，环境空气质量分类如下：非常好（0-50ppb）、良好（50-100ppb）、差（100-200ppb）和非常差（>200ppb）。自然水平为30ppb。16） 因此，监测大气中臭氧浓度非常重要。使用基于半导体氧化膜（如In2O3和WO3）的传感器，可以直接测定较高ppb和ppm范围内气相中的臭氧。这两种氧化物都作为n型半导体，电导率随着大气中臭氧浓度的增加而降低。
在我们之前的研究中，我们报道了Sm[Fe（CN）6]·4H2O热分解制备的SmFeO3薄膜在LnFeO3（Ln=LaYb）中显示出很高的NO2感测性能，并且观察到的SmFeO对NO2的很高灵敏度主要归因于表面上的大量气体吸附位点，这是由于Sm3+离子的较高表面覆盖率，以及吸附氧的很大覆盖率。14） 我们还报道了通过热分解制备的SmFeO3薄膜对0.1ppm臭氧具有良好的灵敏度。17） 在本研究中，对新制造的SmFeO3基气体传感器的臭氧传感特性进行了研究，以开发用于环境空气的常规臭氧监测系统。
2.实验
市售硝酸盐Sm（NO3）3·6H2O和Fe（NO3）。通过球磨将规定比例的混合物与去离子水混合，并在900°C下热分解1小时。将球磨的0.24 g磨碎的SmFeO3粉末（样品-A）加入30 ml乙酰丙酮中，并在室温下超声处理1小时，以获得SmFeO 3颗粒的分散液。将获得的分散液放置1小时，以使分散液中的较大SmFeO3颗粒沉淀。此时较小的SmFeO3颗粒仍在分散液中。沉淀的SmFeO3颗粒在下文中称为样品B。分散液中较小的SmFeO3颗粒通过离心分离法沉淀，以下称为样品-C。样品C用作臭氧传感器的半导体材料。通过X射线衍射（XRD，Rigaku，Rint 2000）、颗粒分布（Horiba，LA-950）、高精度比表面积和孔隙率测量系统（BEL JAPAN，Inc.，BEL sorp mini II）、X射线光电子能谱（XPS，Perkin Elmer，1600E，使用MgK辐射）和电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES，Perkin Elmer，optima 3000）对所得材料进行鉴定。向SmFeO3粉末中加入特定量的松油醇，并在研钵中混合，然后将所得浆料丝网印刷在具有金梳状电极的氧化铝基底上。SmFeO3膜的厚度约为50μm。该厚膜在600°C下烧结1小时。添加的松油醇在烧结过程中完全分解，不会残留在膜中。
将传感器元件插入管式炉中的石英玻璃管中，并在200350°C下进行检查。作为目标气体，将臭氧气体引入玻璃管中，以20分钟间隔交替改变为G2级标准空气（干燥纯空气：CO2<0.5ppm，NOx<0.05ppm）。臭氧气体发生器（Funatech，SO-250；空气流量为5.0L/min时，臭氧气体产量为0.25g/h）从空气中产生臭氧气体（5.0l/min）。臭氧浓度由臭氧检测器（Horiba，APOA-370）监测。通过施加0.10V直流电压的超高电阻计（Adventest，R8340）测量元件的电导。传感器的气体响应被监测为S＝Gozone/Gair，其中Gozone和Gair分别是臭氧气体和空气中的电导率。
3.结论
开发的基于SmFeO3的气体传感器对臭氧的ppb水平有响应。电导率因臭氧污染而增加。该比值Gtest/Gair随着工作温度的升高而降低。在低于1ppm臭氧的较低浓度下，臭氧中SmFeO3的电导率表示如下，（GozoneGair）=aCn。当浓度高于1ppm时，臭氧中SmFeO3的电导有饱和的趋势。我们的传感器能够将臭氧污染的空气质量区分为非常好（0-50 ppb臭氧）、良好（50-100 ppb臭氧），差（100-200 ppb臭氧）和非常差（>200 ppb的臭氧）。
