三維單分散ZnO、α-Fe2O3空心結(jié)構(gòu)和多孔結(jié)構(gòu)的制備及其氣敏性能研究.pdf

1、現(xiàn)代社會(huì)，隨著工業(yè)化的迅速發(fā)展和人口的急劇增長(zhǎng)，各種易燃易爆、有毒有害性氣體以及它們的混合性氣體在工礦企業(yè)、科學(xué)研究部門(mén)和家庭中變得隨處可見(jiàn)，隨之而來(lái)的爆炸事故、大氣污染、火災(zāi)事故等成為威脅人類生命及財(cái)產(chǎn)安全的重大難題。因此，及時(shí)地監(jiān)控這些氣體并報(bào)警防災(zāi)便成為迫切需要解決的問(wèn)題。目前，檢測(cè)氣體的方法有很多，例如電化學(xué)法、光學(xué)法、色譜法等，但是這些方法的缺點(diǎn)是它們的成本較高、測(cè)定裝置比較復(fù)雜，因此不易廣泛推廣。而用金屬氧化物半導(dǎo)體材料制備

2、的氣敏傳感器，因其制作簡(jiǎn)單、成本較低、穩(wěn)定性好、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，成為了工業(yè)上和日常生活中及時(shí)檢測(cè)和監(jiān)控這些易燃易爆氣體、有毒有害氣體的重要手段之一?，F(xiàn)階段研究表明，分層結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)以及空心結(jié)構(gòu)因其具有大的比表面積、高的孔隙率和低密度等優(yōu)點(diǎn)成為了構(gòu)建高靈敏度和快速響應(yīng)的理想結(jié)構(gòu)。本論文瞄準(zhǔn)這一研究方向，通過(guò)簡(jiǎn)單的水熱法結(jié)合退火處理的方式合成了單分散空心結(jié)構(gòu)的ZnO和多孔結(jié)構(gòu)的α-Fe2O3微米粒子。利用Cu摻雜及改變水熱反應(yīng)時(shí)間等條件對(duì)

3、樣品進(jìn)行了表面修飾，并用所合成的樣品作為氣敏材料制備了相應(yīng)的氣體傳感器。主要的研究工作如下：
　　1.通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的水熱法在160℃下反應(yīng)20個(gè)小時(shí)后對(duì)其退火處理成功合成了單分散的ZnO空心六面錐。檸檬酸鈉和丙三醇在空心六面錐的形成過(guò)程中起著不可或缺的作用。根據(jù)形貌結(jié)果，我們也提出了空心六面錐可能的生成機(jī)理。另外，用這種特殊結(jié)構(gòu)制成的傳感器在240℃的最佳溫度下對(duì)乙醇展現(xiàn)出優(yōu)異的氣敏性能。它對(duì)200 ppm乙醇的響應(yīng)值為187，且

4、響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為11秒和9秒，這表明我們的樣品對(duì)乙醇具有高的靈敏度、短的響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間和好的選擇性。
　　2.通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的水熱法在140℃下反應(yīng)16個(gè)小時(shí)后又對(duì)其進(jìn)行退火處理，隨后成功合成了漢堡包狀的α-Fe2O3微米粒子。這些微米粒子的長(zhǎng)和寬分別為2.7和2.2微米，并且展現(xiàn)出單分散多孔結(jié)構(gòu)。我們用這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)制備了相應(yīng)的傳感器，并在270℃下對(duì)500 ppm各種氣體進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其對(duì)丙酮的響應(yīng)值大約為236，遠(yuǎn)高于對(duì)其

5、它氣體的響應(yīng)值。另外，其響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間都在10秒以內(nèi)。這表明了這種結(jié)構(gòu)對(duì)丙酮具有高的敏感性、快的響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間和好的選擇性。因此，該樣品的這種特殊結(jié)構(gòu)賦予了丙酮探測(cè)廣泛的應(yīng)用前景。
　　3.利用新穎的水熱法成功的合成了單分散多孔的立方體狀、餅狀和橢球體狀的α-Fe2O3微米粒子。我們采用各種表征方法對(duì)人工合成的α-Fe2O3微米粒子進(jìn)行了研究。其SEM和TEM結(jié)果表明所有這些微米粒子的直徑大概都為2-3微米。氣敏測(cè)試結(jié)果表明，水

6、熱反應(yīng)時(shí)間和Cu的摻雜量對(duì)傳感器的性能都有很大的影響。在這些傳感器中，Cu的摻雜量為1.0 wt％而且水熱時(shí)間為15小時(shí)的傳感器的氣敏性能最佳，也就是說(shuō)餅狀的α-Fe2O3具有最好的氣敏性能。它在270℃對(duì)500 ppm丙酮的響應(yīng)值為205.3，比氨水的響應(yīng)值（約為17.3）高11.9倍。另外，響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間都在10秒內(nèi)，表明1.0 wt%Cu摻雜的α-Fe2O3微米餅制備的傳感器對(duì)丙酮探測(cè)具有潛在的應(yīng)用。最后，我們對(duì)α-Fe2O3