Zn和Sn氧化物基氣敏材料的制備及性能研究.pdf

1、近年來(lái)，伴隨經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的快速發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)成為人類(lèi)面臨的重要難題之一。霧霾天氣頻發(fā)、臭氧層破壞、酸雨現(xiàn)象以及全球變暖等一系列環(huán)境問(wèn)題在很大程度上與人們的生產(chǎn)和生活排放的有毒有害氣體有關(guān)，因此研究性能優(yōu)異的氣敏傳感器，對(duì)有毒有害氣體進(jìn)行檢測(cè)和管理是十分重要的。氣敏材料是氣敏傳感器的重要組成部分，高性能氣敏材料是構(gòu)建性能優(yōu)異的氣敏傳感器的關(guān)鍵。前人的研究發(fā)現(xiàn)，材料的尺寸、形貌以及組成是影響氣敏材料性能的關(guān)鍵因素，通過(guò)材料尺寸和形貌控制，

2、并調(diào)節(jié)材料的組成以提高氣敏性能的研究已經(jīng)成為當(dāng)今的一個(gè)熱點(diǎn)。
　　本論文通過(guò)組成、形貌調(diào)控，制備了系列半導(dǎo)體氧化物氣敏材料，并以其為載體負(fù)載貴金屬納米顆粒，充分發(fā)揮載體與貴金屬的協(xié)同作用，獲得了性能更加優(yōu)異的氣敏材料。通過(guò)氣敏性能測(cè)試，探討了氣敏性能與材料結(jié)構(gòu)之間關(guān)聯(lián)的科學(xué)本質(zhì)，并探索了材料的氣敏機(jī)理。論文主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:
　　1.通過(guò)制備條件控制，對(duì)材料的顆粒尺寸和微觀形貌進(jìn)行調(diào)節(jié)，制備了小尺寸ZnO納米顆粒和Sn

3、O2量子點(diǎn)。經(jīng)氣敏性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)，ZnO顆粒尺寸減小可明顯提高其對(duì)NO2的氣敏響應(yīng)，縮短響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間，并提高選擇性;SnO2量子點(diǎn)因其顆粒更加微小，對(duì)乙醇具有很高的氣敏響應(yīng)，且響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間均可縮短至1 s，可實(shí)現(xiàn)對(duì)乙醇的快速、靈敏檢測(cè)。
　　2.采用前驅(qū)體焙燒法分別制備了由ZnO納米顆粒有序組裝形成的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的管狀和蒲公英狀3-D多級(jí)結(jié)構(gòu)。多級(jí)結(jié)構(gòu)由ZnO納米顆粒組成的納米棒或納米片，再經(jīng)組裝形成蒲公英狀或管狀的開(kāi)放結(jié)構(gòu)，并可通

4、過(guò)控制焙燒溫度調(diào)節(jié)納米顆粒的粒徑和孔分布。材料豐富的孔結(jié)構(gòu)以及開(kāi)放式結(jié)構(gòu)利于氣體擴(kuò)散并與材料發(fā)生相互作用，從而對(duì)乙醇具有很高的氣敏響應(yīng)和較短的響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間。同時(shí)，由于蒲公英狀多級(jí)結(jié)構(gòu)ZnO的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)使其對(duì)乙醇的響應(yīng)具有很好的重復(fù)性，對(duì)0～160 ppm乙醇的響應(yīng)值與氣體濃度具有較好的線(xiàn)性關(guān)系，線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.9992，可實(shí)現(xiàn)對(duì)乙醇的半定量檢測(cè)。
　　3.采用水熱法及后續(xù)焙燒處理制備了由3～6 nm的介孔納米片形成的SnO2多級(jí)

5、結(jié)構(gòu)微球，與片狀SnO2對(duì)比發(fā)現(xiàn)，多級(jí)結(jié)構(gòu)微球?qū)σ掖季哂懈叩臍饷繇憫?yīng)和更高的上檢測(cè)限。分析發(fā)現(xiàn)，多級(jí)結(jié)構(gòu)SnO2中納米片垂直立于微球表面，開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)可促使乙醇與材料直接接觸，并為氣體吸附提供更多的活性位;同時(shí)，材料的介孔結(jié)構(gòu)可利于氣體在材料內(nèi)部擴(kuò)散，使氣體與材料充分接觸。此外，組成SnO2多級(jí)結(jié)構(gòu)微球的納米片厚度較薄，可促進(jìn)氧氣對(duì)材料電子的捕獲，從而提高了材料的氣敏性能。
　　4.基于Pd的不同晶面對(duì)氣體吸附及催化能力的不同，

6、制備了系列具有不同晶面特征的Pd納米顆粒，將其負(fù)載于ZnO納米棒，通過(guò)對(duì)H2的敏感性能測(cè)試，考察了不同晶面暴露的Pd對(duì)其修飾的ZnO的氣敏性能，結(jié)果顯示不同形貌的Pd對(duì)H2的吸附能力不同，進(jìn)而影響其修飾的ZnO對(duì)H2的敏感性能。以(100)晶面暴露的立方體Pd修飾的ZnO對(duì)H2的響應(yīng)值最高、響應(yīng)時(shí)間最短，而恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。
　　5.基于多組分貴金屬協(xié)同原理，制備了Pt與Au高度分散且比例接近1∶1的PtAu納米合金顆粒，將其負(fù)載于Z