三维有序大孔C掺杂和Ni/C共掺杂WO3气敏材料的制备及其气敏性能研究

摘要

丙酮是一种常用的挥发性有机溶剂和工业原料，吸入丙酮会使人头痛、昏迷甚至导致神经系统功能受损，同时丙酮还是糖尿病的生物标志物，通过检测呼气中丙酮的浓度，可以为该疾病的诊断提供依据。由此可见，丙酮的检测在环境检测和呼气分析方面都相当重要。金属氧化物半导体气体传感器基于其响应速度快、操作简单、实时分析等优点在气体检测方面得到了人们的青睐，其中对丙酮有很好响应性的金属氧化物有TiO2、ZnO、SnO2、WO3等，尤其是ε相WO3更是对丙酮有着非常突出的响应性能。但是目前WO3材料仍然存在高温下稳定性不佳、对痕量丙酮以及复杂气体环境中丙酮的检测并不理想等问题。考虑到三维有序大孔/介孔(3DOM)材料具有多孔结构以及大比表面积，非常有利于气体吸附和传输，可能会给目前WO3存在的问题提供解决思路，在此基础上进行离子掺杂可能会增加氧空位、改变物相从而进一步提升材料气敏性能。本论文通过模板法控制合成了三维有序大孔(3DOM)形貌的WO3，又在此前工作的基础上合成了Ni2+掺杂的3DOM WO3，以期提高对丙酮的响应性、选择性以及稳定性。主要研究结果如下： 1.制备了一系列不同粒径的聚苯乙烯(PS)微球为模板，通过浸渍、煅烧得到了五种不同孔径的C掺杂三维有序大孔(3DOM)WO3材料，结合各种表征研究了材料的物相及形貌。XRD以及拉曼光谱表明，当煅烧温度为400℃时得到的材料为六方相和单斜Ⅰ相WO3(γ相)，当煅烧温度大于450℃时WO3全部转变为单斜Ⅰ相。从SEM图中可知，微球直径分别为250，400，490，620，880nm，五个样品大孔直径分别为205，340，410，520，730nm。XPS和TG-DSC表明，材料中含有W-C键，说明有碳掺杂到WO3晶格中；BET表明材料中除了大孔还有一定的介孔存在。 2.对五种不同孔径的样品进行了气敏性能测试，优化出最佳煅烧温度为450℃，最佳工作温度为390℃。在最佳条件下考察了不同大孔直径的样品对丙酮的响应性能，均远高于无定型纯WO3，并且气敏性能随孔径增大先增大后减小，其中大孔直径为410nm的样品W3-450响应值最高，对10ppm丙酮响应值为13.5。湿度测试表明，W3-450在相对湿度为90%时对10ppm丙酮的响应性能为8。选择性测试表明，样品W3-450对10ppm乙醇、甲醇、NH3、甲醛和CO的响应值均低于4，对丙酮的选择性很好。稳定性测试表明，W3-450的气敏性能在连续三个月内总体呈现平稳状态，对10ppm丙酮的响应值始终保持在13左右。 3.以优化出的最佳直径的PS微球作为模板，通过调节前驱体当中W/Ni原子比合成了不同掺杂量(1%-10%)的Ni/C共掺杂3DOM WO3，结合一系列表征研究了掺杂对材料的物相及形貌的影响。XRD、拉曼光谱表明，未掺杂和1%掺杂量的样品为纯单斜Ⅰ相(γ相)WO3，当Ni摩尔分数为3%时，开始出现单斜Ⅱ相WO3(ε相)，并且晶格畸变随着掺杂量的增大而增大。SEM表明，煅烧后的一系列样品孔径均在405nm左右。XPS表明，掺杂后形成了Ni-O-W键和W-C键，说明Ni2+和C均掺杂进WO3晶格中。UV-Vis表明掺杂以后的WO3带隙变窄，材料缺陷密度增大。 4.对不同Ni2+掺杂样品进行了气敏性能测试，考察了掺杂后的最佳工作温度以及不同掺杂量样品的响应性能变化情况。Ni掺杂后样品的最佳工作温度降低(由390℃降至370℃)，对丙酮的响应性提高，并且气敏性能随掺杂量增大先上升后下降，当掺杂量为5%时(WN3)响应性最高，对10ppm丙酮的响应值达到18。湿度测试表明，即使在90%湿度下WN3对10ppm丙酮响应为10，仍然具有很好的响应性。选择性测试表明，WN3对丙酮的灵敏度远远超出相同浓度的丙酮、甲醇、乙醇、氨气、CO，约为甲醇的6倍，乙醇的9倍，具有很好的选择性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 气敏传感器概述

1.2.1 金属氧化物气敏传感器的分类

1.2.2 金属氧化物气敏传感器的机理

1.2.3 金属氧化物气敏材料简介

1.3 WO3气敏材料概述

1.3.1 WO3气敏材料研究现状

1.2.3 WO3气敏材料性能的影响因素

1.4 WO3气敏性能的提升途径

1.4.1异质结的构筑

1.4.2 形貌调控

1.4.3 离子掺杂

1.5 本论文选题意义及研究内容

第二章 三维有序大孔C掺杂WO3材料的制备及其对丙酮的气敏性能研究

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 化学试剂及仪器

2.2.2 结构表征

2.2.3 气敏性能表征

2.2.4 不同粒径PS球模板的制备

2.2.5 C掺杂3DOM WO3材料的制备

2.3 结果与讨论

2.3.1 材料表征

2.3.2 材料气敏性能研究

2.4 小结

第三章 三维有序大孔Ni/C共掺杂的WO3材料的制备及其对丙酮的气敏性能研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 化学试剂及仪器

3.2.2 结构表征

3.2.3Ni/C共掺杂3DOM WO3材料的制备

3.3 结果与讨论

3.3.1 材料表征

3.3.2 材料气敏性能研究

3.4 小结

第四章 结论与展望

参考文献

在校期间发表的学术论文

致谢