SnO2的掺杂及与碳纳米管的复合对其氢敏特性的影响

摘要

本课题利用一种对制备金属氧化物纳米结构具有较好普适性的多元醇方法(PolyolProcess)实现了SnO2的Fe离子掺杂,制备了SnO2包覆多壁碳纳米管材料,并在此基础上首次成功获得了Fe离子晶格掺杂SnO2包覆多壁碳纳米管材料。通过X射线衍射(x-raydiffraction,XRD)、X射线散射能谱仪(x-rayenergydispersivespectrometer,EDS)、扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscopy,SEM)、透射电子显微镜(transmissionelectronmicroscopy,TEM)、热分析仪、拉曼光谱、电感耦合等离子体发射光谱(inductively-coupledplasmaspectrometer,ICP)分析手段对这些材料进行了物相分析和形貌观察。研究了SnO2纳米晶、SnO2纳米晶包覆多壁碳纳米管材料和Fe离子掺杂SnO2包覆多壁碳纳米管的氢气敏感性能。多元醇方法所使用的乙二醇(ethyleneglycol,EG)不仅是反应发生的介质,而且还能与草酸亚铁、草酸亚锡反应合成得到聚羟基乙酸盐。研究表明,乙二醇对聚羟基乙酸盐中间体具有一定的溶解度;制备出的中间体能在热水环境中发生水解,转变为金属氧化物。对比分析草酸亚锡分别与草酸铟(Ⅲ)和草酸亚铁混合加入到乙二醇中加热至沸腾所得到的产物,我们发现,欲通过多元醇方法实现某种阳离子在SnO2中的晶格掺杂,则此种阳离子草酸盐必须能够使用多元醇方法获得其聚羟基乙酸盐中间体。由于草酸铟在乙二醇中没有生成聚羟基乙酸铟中间体,导致所采用多元醇方法未能实现SnO2的In离子掺杂。在氢气敏感性能研究方面,具有中孔结构的SnO2纳米晶在室温条件下对1000ppm浓度氢气具有一定的敏感性,通入氢-氮混合气体后,电阻下降,而且其敏感性随着材料两端的电压降低而降低。与MWCNTs的复合后,使得材料电阻降低了4个数量级,便于实现气体传感器外电路的匹配。Fe离子掺杂对SnO2纳米晶的掺杂使得其半导体类型由N型转变为P型,导致Fe离子晶格掺杂SnO2包覆多壁碳纳米管复合材料在通入氢-氮混合气体后,电阻上升。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 电阻型气体敏感材料研究现状

1.2.1 引言

1.2.2 气敏材料领域研究热点——MOS 气敏材料

1.2.3 MOS 气敏材料中的主角——SnO_2

1.2.4 准一维结构为MOS 气敏材料带来的改变

1.2.5 基于准一维结构及MWCNTs 的新思路——SnO_2/MWNTs

1.3 课题的研究目的和研究内容

第2章 实验方法

2.1 材料制备方法

2.1.1 多元醇方法介绍

2.1.2 聚羟基乙酸盐制备方法及晶格掺杂和包覆的实现

2.2 制备使用的各类化学试剂及主要设备

2.3 分析测试方法

2.3.1 物相分析及形貌观察

2.3.2 氢气敏感实验方法

第3章 SnO_2的阳离子晶格掺杂

3.1 多元醇方法制备SnO_2 纳米晶

3.1.1 聚羟基乙酸锡的制备与热解

3.1.2 聚羟基乙酸锡的溶解与水解

3.2 多元醇方法制备Fe 离子晶格掺杂SnO_2

3.3 In(Ⅲ)掺杂SnO_2 的尝试

3.3.1 草酸铟的制备

3.3.2 草酸铟(Ⅲ)在EG 中的化学反应

3.3.3 In 离子晶格掺杂SnO_2的尝试

3.4 本章小结

第4章 阳离子晶格掺杂SnO_2包覆MWCNTs

4.1 多元醇方法制备SnO_2包覆MWCNTs

4.2 Fe 离子晶格掺杂SnO_2包覆MWCNTs

4.3 本章小结

第5章 氢敏特性研究

5.1 多元醇方法制备的SnO_2纳米晶的气敏特性

5.2 SnO_2纳米晶包覆MWCNTs 的室温低浓度氢敏特性

5.3 Fe 离子晶格掺杂SnO_2纳米晶包覆MWCNTs 的氢敏特性

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢