金屬氧化物納米材料的濕法制備及其氣敏性能研究.pdf

1、金屬氧化物氣體傳感器由于結(jié)構(gòu)簡單、廉價、反應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，因而成為應(yīng)用最廣、發(fā)展最快的氣敏傳感器之一。同時，金屬氧化物氣體傳感器能夠檢測氣體的種類也在逐漸增加，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于氣體檢測儀、報警儀以及食品鑒別。但是，金屬氧化物氣體傳感器普遍存在著工作溫度高、熱穩(wěn)定性差、可靠性、選擇性和抗干擾性不夠強(qiáng)等缺點(diǎn)與不足，因而限制了金屬氧化物氣體傳感器的進(jìn)一步的廣泛應(yīng)用。本文以ZnO與WO3為基本體系，從提高靈敏度、改善選擇性以及降低工作溫度的角度

2、出發(fā)，著重研究了稀土摻雜ZnO、ZnO與WO3納米復(fù)合材料的制備以及納米材料的形態(tài)控制等對濕法制備的金屬氧化物氣體傳感器氣敏性能的影響。 首先，本文介紹了半導(dǎo)體金屬氧化物氣敏元件的缺陷與不足，以及氣敏材料與器件的發(fā)展方向。隨后闡述了半導(dǎo)體金屬氧化物的氣敏機(jī)理，分析和研究了影響氣敏性能的因素，并論述了當(dāng)前國內(nèi)外所報道的改善氣敏傳感器的氣敏性能的方法。最后詳細(xì)介紹了納米ZnO顆粒與薄膜的各種濕法制備方法，并全面綜述了當(dāng)前國內(nèi)外圍繞納

3、米ZnO形態(tài)的可控制備與氣敏性能的改善兩大方面進(jìn)行的大量的研究工作。 其次，本文采用sol-gel方法制備了稀土摻雜的ZnO基納米顆粒與納米薄膜，并討論了摻雜濃度、工作溫度以及光激發(fā)等因素對ZnO基元件的氣敏性能的影響。在稀土La摻雜的ZnO納米顆粒與Ce摻雜的納米薄膜中，隨著摻La或Ce濃度的逐漸上升，元件對乙醇與苯的敏感度也增大；但是過多的La或Ce摻雜又會導(dǎo)致敏感度下降。隨著工作溫度的上升，元件對乙醇與苯等揮發(fā)性有機(jī)物的敏

4、感度先逐漸增大，隨后又迅速降低；光激發(fā)能提高ZnO基納米材料對揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）的靈敏度并降低工作溫度。X射線衍射（XRD）結(jié)果表明，稀土La與Ce的摻入，產(chǎn)物中分別出現(xiàn)了La2O2CO3相與CeO2相。場發(fā)射掃描電鏡（FESEM）結(jié)果表明，ZnO大多呈顆粒形，晶粒尺寸處于20－75nm之間，并且隨著摻La濃度的增加，晶粒大小逐漸減小。在采用浸漬－提拉法制備的稀土Ce摻雜的ZnO納米薄膜中，薄膜的厚度達(dá)到5μm左右，并且組成薄膜的

5、圓形顆粒尺寸多數(shù)處于40-65nm之間。新相CeO2的產(chǎn)生對其氣敏性能的改善具有一定的積極作用，同時建立了摻雜劑濃度對氣敏性能影響機(jī)制的理論模型。 第三，分別采用水熱法與蒸發(fā)自組裝法制備了兩種具有特殊形態(tài)的納米ZnO，并研究了氣敏性能。在水熱反應(yīng)制備ZnO的過程中，在較低的反應(yīng)溫度下得到六方長柱狀的ZnO，而在較高的反應(yīng)溫度下得到六方棱錐形的ZnO。較低的反應(yīng)溫度使得溶液具有較強(qiáng)的堿性，因而在溶液中形成具有負(fù)電特征的[Zn(OH

6、)4]2 －配位離子基團(tuán)作為生長基元，此生長基元容易在氧化鋅晶體的正極面疊合，且生長速度最快，而在負(fù)極面、柱面上生長則比較困難，最終結(jié)晶的納米ZnO晶粒呈六方棱柱形貌，而在較高的溫度下生長成六方棱錐形的ZnO。在蒸發(fā)自組裝法制備中，由于嵌段共聚物F127的的兩親性能，ZnCl2 發(fā)生醇解反應(yīng)而形成的醇鹽Zn(Cl)2-x(Oet)x 互相結(jié)合而形成膠束。在蒸發(fā)過程中溶膠中的醇鹽與F127濃度的增加，導(dǎo)致溶膠中的Zn(Cl)2-x(Oet

7、)x 沿著嵌段共聚物的長鏈方向單向排列并逐漸形成無定形的納米棒簇單元。F127的加入使得ZnO的尺寸更加細(xì)小，因而能夠提高靈敏度。 第四，本文分別采用sol-gel方法與表面修飾技術(shù)制備了Zn-W-O 體系納米復(fù)合材料并討論了氣敏性能。X射線衍射（XRD）、場發(fā)射掃描電鏡（FESEM）以及氣敏測試結(jié)果表明，采用這兩種方法制備的Zn-W-O體系納米復(fù)合材料中，均出現(xiàn)了具有白鎢礦結(jié)構(gòu)的高電阻的ZnWO4相。由于這種具有白鎢礦結(jié)構(gòu)的Z

8、nWO4相能夠產(chǎn)生更多的新的Lewis酸中心，因而能夠加速碳?xì)溲趸锏拿摎涠岣遉nO的靈敏度。但是，過量的高電阻的ZnWO4相也會惡化其氣敏性能。 最后，本文采用水熱法以PEG－400為模板劑制備了長方體形的WO3薄片，并討論了其對NO2等有毒氣體的氣敏性能。X射線衍射（XRD）、場發(fā)射掃描電鏡（FESEM）以及透射電鏡（TEM）結(jié)果表明，在水熱條件以及PEG的作用下，短時間內(nèi)首先快速形成WO3·H2O，隨著時間的延長，WO3