低維α-Fe-,2-O-,3-納米材料的合成、改性及氣敏性能研究.pdf

1、進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，在能源開發(fā)、石油化工、航空航天等工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展極大推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步的同時(shí)，也給人類的安全生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了隱患。隨著人們環(huán)保意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，對(duì)易燃、易爆、有毒氣體的檢測(cè)就顯的愈發(fā)重要?；诎雽?dǎo)體金屬氧化物的電阻犁氣體傳感器具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、制作簡(jiǎn)單、使用方便、易集成等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)監(jiān)控和環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　 納米氧化鐵具有很好的穩(wěn)定性、磁性、氣敏和催化性能，被廣泛應(yīng)用于顏料、記錄材料、

2、造影、催化和氣敏材料中。其作為氣敏材料在預(yù)報(bào)、檢測(cè)有毒、有害氣體方面有著獨(dú)特的效果。α-Fe2O3是一種典型的n型半導(dǎo)體，它的禁帶寬度為2.2 eV。用這種材料制成的氣敏傳感器由于具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、價(jià)格低和制作工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)被廣泛研究。到目前為止，盡管科研工作者采取各種方法來(lái)提高氧化鐵氣敏傳感器的性能，但是，對(duì)于α-Fe2O3氣敏元件來(lái)說(shuō)，仍然在選擇性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性以及受環(huán)境溫度和濕度影響等方面存在一些不足，而難以在更大范圍內(nèi)進(jìn)行推

3、廣和應(yīng)用。
　　 由于α-Fe2O3氣敏元件的敏感機(jī)理為表面控制型，其性能優(yōu)劣與表面微觀結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。因此，利用表面修飾技術(shù)對(duì)α-Fe2O3氣敏材料進(jìn)行改性是推進(jìn)氣體傳感器向高靈敏度、高選擇性、高穩(wěn)定性方面發(fā)展的暈要手段之一；另外，納米結(jié)構(gòu)材料，因其具有龐大的界面、較高的表面活性，能使傳感器的性能顯著提高。利用納米合成技術(shù)改進(jìn)氣敏材料的性能已成為今后氣敏材料發(fā)展的主導(dǎo)方向之一。本論文瞄準(zhǔn)這一研究方向，通過納米材料合成、表面修飾以

4、及納米合成技術(shù)在氣體傳感器中的應(yīng)用完成了以下幾個(gè)方面的研究工作：
　　 1.采用多種方法并成功制備出零維納米級(jí)α-Fe2O3氣體敏感材料。其中，室溫固相化學(xué)反應(yīng)法是一種污染小、成本低、產(chǎn)率高的納米材料制備方法，該法為制備半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器提供了一條工藝簡(jiǎn)單、節(jié)約能源的途徑。通過氣敏性能測(cè)試，系統(tǒng)地考察了零維納米α-Fe2O3氣敏材料的靈敏度與焙燒溫度、工作溫度、氣體濃度之間的關(guān)系。
　　 2.通過化學(xué)共沉淀法對(duì)零

5、維納米α-Fe2O3氣敏材料進(jìn)行貴金屬Au、Ag、Pt、Pd的摻雜修飾；首次采用固相合成法制備了Ag/α-Fe2O3氣敏材料。通過XRD、TEM、SPX等表征手段分別在摻雜后的幾種樣品中槍測(cè)山貴金屬物種的存在。氣敏測(cè)試結(jié)果表明，貴金屬摻雜后α-Fe2O3氣敏材料的性能得到顯著提高，主要表現(xiàn)在：提高了純?chǔ)?Fe2O3氣敏材料的氣體靈敏度，降低了純?chǔ)?Fe2O3氣敏材料的工作溫度，增大了其對(duì)H2S氣體的選擇性，為氣體傳感器在相對(duì)低溫下檢測(cè)H

6、2S氣體提供了可能。并首次通過XPS分析，探討和提出了α-Fe2O3基氣敏材料的H2S敏感機(jī)理。
　　 3.嘗試將一維納米材料合成技術(shù)引入到氣體傳感器的設(shè)計(jì)中，分別利用低溫水解法和水熱法合成了具有較高比表面積的一維多孔α-Fe2O3納米棒氣敏材料，這兩種方法均具有操作方法簡(jiǎn)單、成本低、環(huán)境污染小、能耗較低等優(yōu)點(diǎn)。此外，本文中還通過控制反應(yīng)溫度，采用水熱法制備獲得空心球結(jié)構(gòu)和花狀結(jié)構(gòu)的α-Fe2O3納米材料。通過SEM、TEM、N

7、2吸附－脫附等表征手段考察了樣品的形貌、比表面積和孔分布情況。通過氣敏性能測(cè)試可知，這幾種具有特殊形貌的α-Fe2O3納米材料均對(duì)乙醇?xì)怏w具有良好的靈敏度和選擇性，并對(duì)乙醇響應(yīng)的起始溫度較低。本論文提出的這兩種簡(jiǎn)便的納米合成技術(shù)為今后開發(fā)新型的酒敏傳感器開拓了新的思路。
　　 4.為解決半導(dǎo)體電阻式氣敏元件的選擇性問題，本論文采用沉積－沉淀法將p型半導(dǎo)體CuO成功負(fù)載于n型半導(dǎo)體α-Fe2O3基體材料上，設(shè)計(jì)并制成新型p-n結(jié)半