SnO2/TiO2的纳米异质结构的制备与气敏性能的研究

摘要

生活水平提高的同时，对环境的保护也越来越引起了人们的重视。因此，利用便携式设备实时监控周围环境已成为生产生活中必不可少的部分。气体传感器是一种监测周围环境气体浓度变化的设备，金属氧化物气体传感器以其价格低廉、便于携带、准确度高等优点得到了广泛的应用。宽禁带半导体功能材料SnO2和TiO2由于其化学性质稳定、气敏性能优良、来源广泛、价格低廉，现已成为气敏材料中的研究热点。 本论文为了进一步提高气敏传感器的性能，构建和制备了SnO2纳米颗粒包覆TiO2纳米纤维的复合体系，进而详细研究了该体系的气敏特性，并利用光照辅助进一步提高该体系的气敏性能。 首先，制备了SnO2纳米颗粒和TiO2纳米纤维单体材料。通过水热合成法制备了SnO2纳米颗粒，材料完全呈无规则颗粒状，粒径为100至300nm，对乙醇气体有最高的响应，且在240℃时对乙醇的灵敏度为5.09。再利用静电纺丝技术制备了TiO2纳米纤维，纤维粗糙且多孔，直径约100-200nm。同样对乙醇气体选择性最好，在260℃时有最高响应值为5.45。 其次，利用静电纺丝方法制备了SnO2/TiO2复合体系。电镜照片显示该体系SnO2纳米颗粒均匀地覆盖在TiO2纳米纤维的表面上。XRD显示所制备的SnO2/TiO2纳米复合材料为四方金红石相SnO2与锐钛矿TiO2。与纯SnO2纳米颗粒和TiO2纳米纤维相比，SnO2/TiO2纳米复合材料的气敏性能得到了明显的改善。通过优化质量比，最终得到质量比为1.5∶1的SnO2/TiO2异质复合材料的在最佳工作温度为240℃时，对100ppm乙醇气体拥有最大响应为9.58，分别比纯TiO2纳米纤维和SnO2纳米颗粒高约1.89和1.88倍。 最后，为了进一步提高SnO2/TiO2异质复合材料对甲醛气体的气敏特性，我们对材料进行了光敏气敏的详细研究。质量比为1.5∶1的SnO2/TiO2复合材料在紫外线照射下对HCHO有很高的响应。在紫外线照射下，ST-1.5对100ppm HCHO的响应达到18.32，远高于在黑暗条件下4.5的量。此外，通过紫外线照射，响应和恢复时间从分别20秒减少到13秒和从16秒减少到9秒。重要的是，在高湿度环境中对HCHO的响应也通过紫外线照射得到增强。 本论文的研究为改善气敏传感器的性能提供了新的途径。

目录

1 绪论

1.1 气体传感器

1.2 气体传感器的分类

1.3 金属氧化物气体传感器

1.3.1 金属氧化物气敏机理

1.3.2 半导体金属氧化物气体传感器的评价指标和增感方式

1.3.3 半导体金属氧化物气体传感器的研究进展

1.4 纳米纤维

1.4.1 汽相生长

1.4.2 化学方法

1.4.3 其他合成方法

1.5 静电纺丝技术

1.6 本文的研究意义与主要工作

2 SnO2纳米颗粒的制备与气敏性能的研究

2.1 实验过程

2.1.1 SnO2纳米颗粒的制备

2.1.2 气敏元件的制备

2.1.3 气敏特性测试

2.1.4 材料的结构与形貌表征

2.2 SnO2纳米颗粒的表征

2.3 气敏性能测试结果与分析

2.4 传感器气敏机理的分析

2.5 本章小结

3 TiO2纳米纤维的制备与气敏性能的研究

3.1 实验过程

3.1.1 TiO2纳米纤维的制备

3.1.2 气敏测试与表征

3.2 TiO2纳米纤维的表征

3.3 气敏性能测试结果与分析

3.4 传感器气敏机理的分析

3.5 本章小结

4 SnO2/TiO2纳米异质结构的制备与对乙醇气敏性能的研究

4.1 实验过程

4.1.1 SnO2/TiO2纳米复合材料的制备

4.1.2 气敏测试与表征

4.2 SnO2/TiO2纳米复合材料的表征

4.3 气敏性能测试结果与分析

4.4 传感器气敏机理的分析

4.5 本章小结

5 紫外光下SnO2/TiO2纳米复合材料对甲醛增强的传感性能

5.1 实验过程

5.1.1 SnO2/TiO2纳米复合材料的制备

5.1.2 气敏测试与表征

5.2 SnO2/TiO2纳米复合材料的表征

5.3 气敏性能测试结果与分析

5.4 传感器气敏机理的分析

5.5 本章小结

6 结论

参考文献

附录A：作者攻读硕士学位期间发表论文及科研情况

致谢

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