基于金属氧化物纳米材料高性能H2S气敏传感器的研究

摘要

众所周知，H2S是有毒气体，也是大气污染物，给环境和人们生活带来严重的危害。因此，制备低温、高灵敏度和快速响应的H2S传感器具有十分重要的意义。本论文致力于探索简便的制备方法，合成多种纳米金属氧化物H2S气敏材料，研究其在低温情况下，低浓度H2S气敏性能及探讨了它们的气敏机理。
　　本文通过简单的制备方法，一步还原法、声化学法、溶剂热法、溶剂热-热解法，制备了种类丰富、不同形貌的金属氧化物纳米材料，包括多孔Cu2O/CuO亚微球结构，CuO纳米带，ZnO系列纳米颗粒团簇、纳米束及纳米棒，ZnFe2O4纳米颗粒、多孔Co3O4纳米片和α-Fe2O3纳米片等。特别是制备的ZnO系列纳米材料，具有不同形貌和尺寸，包括300～500nm纳米颗粒团簇，500～900nm由纳米棒组成的ZnO纳米束，直径和长度分别约为45和145nm的纳米棒等。
　　研究了合成条件对上述样品的影响，探讨了上述金属氧化物的生长机制。例如，CuO纳米带的生长机理：首先形成Cu(OH)2纳米线，然后逐渐转变为一维Cu(OH)2/CuO核壳纳米结构，最后生成CuO纳米带结构。这种两步优先生长过程，为纳米带材料的合成开辟了新的制备途径。
　　研究了上述金属氧化物纳米材料对H2S气体的气敏特性。结果表明在较低的工作温度下，它们均对H2S气体有良好的气敏特性，包括较大响应、快速的响应与恢复时间、长时间稳定性。针对H2S气体优异的传感特性，研究了纳米尺度下敏感材料的结构、相成分与响应特性之间的关系，给出其气敏增强机制。例如，多孔Cu2O/CuO亚微球结构气敏材料，在95℃时，气敏传感器对50ppb H2S的灵敏度为2.1，响应和恢复时间分别为24s和76s。其敏感特性可归因于Cu2O/CuO亚微球复合材料形成Cu2O2-x过渡状态，该活跃的过渡状态更容易与H2S气体相互作用。同时，减小材料的尺寸，增加气敏材料的比表面积，对提高Cu2O/CuO亚微米球气敏性能有不可忽视的作用。
　　综上所述，所制备的金属氧化物纳米材料可以在较低的工作温度下，检测痕量H2S气体。因此，上述金属氧化物纳米材料具有潜在的实用价值。

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第1章 绪论

1.1金属氧化物气敏传感器的简介

1.2金属氧化物的气敏机理

1.3金属氧化物纳米材料在气敏传感器中的应用

1.4 本论文的主要研究内容和意义

第2章CuO纳米带的声化制备与气敏特性

2.1制备过程

2.2 CuO纳米带的结构表征

2.3 CuO纳米带形成机制

2.4 CuO纳米带气敏特性

2.5气敏特性机理

2.6本章小结

第3章Cu2O/CuO 亚微米球的低温合成与气敏特性

3.1制备过程

3.2 Cu2O/CuO亚微米球的微结构表征

3.3 Cu2O/CuO亚微米球气敏特性

3.4气敏特性机理

3.5本章小结

第4章 ZnO纳米棒的制备与气敏特性

4.1制备过程

4.2 ZnO纳米棒的结构表征

4.3反应温度对产品的影响

4.4 ZnO纳米棒生长机理

4.5 ZnO纳米棒气敏特性

4.6气敏特性机理

4.7本章小结

第5章 ZnFe2O4纳米颗粒的制备与气敏特性

5.1制备过程

5.2 ZnFe2O4纳米颗粒的结构表征

5.3 ZnFe2O4纳米颗粒生长机理

5.4 ZnFe2O4纳米颗粒气敏特性

5.5气敏特性机理

5.6本章小结

第6章Co3O4多孔纳米片的低温合成与气敏特性

6.1制备过程

6.2 Co3O4多孔纳米片的微结构表征

6.3 Co3O4多孔纳米片的生成机理

6.4 Co3O4多孔纳米片的气敏特性

6.5气敏特性机理

6.6本章小结

第7章α-Fe2O3纳米片的制备与气敏特性

7.1制备过程

7.2 α-Fe2O3纳米片的结构表征

7.3 反应温度对制备产物的影响

7.4 α-Fe2O3纳米片的气敏特性

7.5 α-Fe2O3纳米片气敏特性机理

7.6本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

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