In2O3/纳米TiO2复合氢气传感器的制备与性能增强

摘要

氢气，作为新能源的一种，其氢元素是宇宙中含量最丰富的，燃烧产物为水，燃烧热值大，没有污染产物，是一种理想的替代能源。但氢气无色无味，容易爆炸，其储存、运输和使用中的安全问题急需解决。本文致力于常温工作环境中的传感器氢敏性能的研究:通过不同半导体氧化物的复合、掺杂以及贵金属催化，期望得到在室温下响应时间、恢复时间、灵敏度等性能同时优异的传感器。研究工作主要包括以下部分:
　　采用水热法制备TiO2纳米片，进一步利用压片法制备了In2O3/TiO2复合压片氢气传感器，并系统研究了贵金属电极、样品的热处理温度及In2O3与TiO2的复合比重对传感器氢敏性能的影响。研究发现，压片法制备的氢气传感器在室温下均具有优异的氢敏性能。在Pt电极催化作用下，传感器的氢敏性能大大优于Ag电极传感器，其最低响应氢气的浓度达到1ppm，阻值变化达到106数量级。这是因为Pt电极显著降低了样品表面的吸附活化能。通过比较不同退火温度对传感器的性能影响，发现在600℃热处理过的样品有着最优的恢复性能，而在800℃下退火的样品只能检测1000ppm浓度的氢气，且响应和恢复时间急剧增加。与纯TiO2氢气传感器相比，In2O3/TiO2复合压片传感器具有增强的氢气传感性能，可检测最低浓度1ppm的氢气。这是由于In2O3/TiO2之间形成n-n同型异质结，引起了能带的弯曲，且在界面处具有良好的电接触及电荷转移性能。通过研究不同复合比重的In2O3的氢敏性能，发现复合20wt％In2O3的压片具有最好的稳定性，在不同浓度的氢气中都兼备较短的响应时间和恢复时间，其在1000ppm氢气中的响应和恢复时间分别达到5.5s和30s。此外，制备了掺杂0.1wt％石墨烯的TiO2纳米片压片。TiO2纳米片-石墨烯传感器在不同浓度氢气的灵敏度、响应和恢复时间都异常优异，在1ppm氢气中的响应和恢复时间分别为8s和10s，而在1000ppm氢气中的响应和恢复时间更是分别低至6s和2s。这源于石墨烯的高比表面及优异的电子传输能力。
　　采用阳极氧化法制备TiO2纳米管薄膜，探究不同的参数对纳米管结构的影响，并通过离心沉积In2O3，探宄其室温下的氢敏性能。以钛片为原料，在0.75wt％NH4F的丙三醇电解水溶液电解钛片，通过阳极氧化法得到TiO2纳米管薄膜。研究表面，采用20V的电压阳极氧化钛片2h制备得到的TiO2纳米管薄膜结构最优异。将20V的电压阳极氧化钛片2h制备得到的TiO2纳米管薄膜离心沉积10mL In2O3，溅射插指形状的Pt电极制备得到传感器，能够检测到最低浓度1ppm的氢气，在1000ppm氢气浓度下，响应时间达到10s，在100ppm氢气浓度下的灵敏度达到0.0407。In2O3的引入改善了纯TiO2纳米管传感器阻值过小的问题，在保留TiO2纳米管的中空结构优势的同时，更是构成了In2O3/TiO2n-n同型异质结，引起能带的进一步弯曲，加速了传感器对氢气响应。同时，In2O3/TiO2纳米管复合氢气传感器也兼具了较好的气敏恢复性能。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 TiO2和In2O3

1．2．1 二氧化钛的结构与性能

1．2．2 二氧化钛薄膜制备方法

1．2．3 In2O3的结构与性能

1．3 金属氧化物半导体传感器

1．3．1 传感器

1．3．2 气体传感器工作原理

1．3．3 气体传感测量方法

1．3．4 气体传感性能的主要影响因素

1．3．5 二氧化钛氢气传感器存在问题及发展方向

1．4 选题的目的与意义

2 研究内容及方法

2．1 研究的主要内容

2．2 研究的方法

2．2．1 实验设备

2．2．2 实验试剂

2．2．3 表征方法

2．3 实验技术路线

3 复合压片氢气传感器的制备及其增强的氢敏性能

3．1 引言

3．2 复合压片氢气传感器的制备

3．3 In2O3／TiO2纳米片复合压片样品的表征

3．3．1 形貌研究

3．3．2 物相分析

3．4 In2O3／TiO2纳米片复合压片氢气传感器的气敏性能研究

3．4．1 Pt电极对In2O3／TiO2复合压片氢气传感器气敏性能的影响

3．4．2 In2O3比重对In2O3／TiO2复合压片氢气传感器氢敏性能的影响

3．4．3 退火温度对In2O3／TiO2复合压片传感器氢敏性能的影响

3．5 石墨烯掺杂TiO2纳米片压片传感器氢敏性能的研究

3．5．1 物相分析

3．5．2 氢敏性能研究

3．6 本章小结

4 In2O3掺杂TiO2纳米管氢气传感器的制备与性能增强

4．1 引言

4．2．1 阳极氧化法原理

4．2．2 影响因素

4．3 实验过程

4．3．1 TiO2纳米管薄膜的制备

4．3．2 氧化铟的沉积

4．3．3 电极及氢气传感器制备

4．4 样品的表征

4．4．1 形貌分析

4．4．2 物相分析

4．5 沉积In2O3的TiO2纳米管薄膜气敏性能研究

4．5．1 纯TiO2纳米管薄膜传感器的氢敏性能

4．5．2 沉积In2O3的TiO2纳米管薄膜传感器的氢敏性能

4．6 本草小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

个人简历及硕士期间发表论文

致谢