不同形貌锌锡复合材料的可控合成及其气敏性能的研究

摘要

生活中无时无刻都能够接触到气体，不同种类的气体因为化学属性的不同，对人体的影响不同。然而由于很多气体难以被察觉、易扩散性能致使其对生命财产构成了极大的威胁，因此对气体的准确检测、危害的准确防范是研究气敏传感器的重要意义。在诸多种类的气体传感器中，金属氧化物半导体气敏材料由于其能耗低、检测迅速、稳定性好及容易集成等特点，被广泛的应用于气敏传感器中。锌锡复合材料做为气敏材料研究最为广泛的材料之一，在检测一些特殊气体具有优良的特性，如甲醛、乙醇、硫化氢等气体。在诸多气敏材料研究的背景之下，本论文着重研究材料的形貌及组成对三元复合氧化物锌锡材料气敏特性的影响。通过调控材料的形貌及元素的摩尔比来实现材料性能的最优化特性，使其满足高性能气敏传感器的需求。总的来说，本论文从以下三个研究体系对锌锡复合材料的形貌及组成与气敏性能之间的关系进行研究：
　　(1)合成八面体、类八面体、球型的Zn2SnO4/SnO2复合材料。采用共沉淀法，通过调控反应温度合成三种形貌的ZnSn(OH)6前驱体，随之进行高温煅烧处理，得到不同形貌的锌锡复合材料Zn2SnO4/SnO2。对三种形貌的复合材料进行气敏性能研究，发现锌锡复合材料Zn2SnO4/SnO2对甲醛具有极佳的气敏性能。而在三种形貌中，类八面体的气敏性能最佳。通过对三种形貌Zn2SnO4/SnO2的SEM、BET、DRS等测试表征，认为类八面体锌锡复合材料的最佳气敏性能归功于其表面的多层分级结构、最大的比表面积及低的禁带宽度。同时，该类复合材料的气敏传感器对甲醛气体具有低的检测限、高的灵敏度和良好的稳定性。
　　(2)合成空心立方体结构的ZnSnO3复合材料。采用一步法合成了形貌良好、尺寸均一的空心立方体结构。对材料进行透射电镜、扫描电镜研究发现，所合成的白色粉末是形貌规整的空心立方体结构，X射线衍射分析结论认为ZnSnO3材料是一种无定形的复合材料。对材料的气敏性能进行了探索及研究，在六种气体乙醇、甲醇、丙酮、甲苯、氨气和氢气中，ZnSnO3材料对乙醇的气敏性能最好，并且传感器的稳定性极好，其优良的气敏特性源于空心结构的均一及结构稳定。
　　(3)在空心结构ZnSnO3的制备基础上，采用稀盐酸的逐步缓慢刻蚀得到了不同锌锡比的复合材料。利用氧化锌和氧化锡在稀盐酸中的不同溶解度，采用1mol/L的盐酸进行缓慢的刻蚀ZnSnO3空心立方体。通过EDX的分析测试表明，实验成功合成了不同锌锡比的锌锡复合材料。对三组不同锌锡比的复合材料进行甲醛及乙醇的气敏性能研究，发现在低含量的Zn存在的时候复合材料对乙醇的气敏性能会提升，在适当含量Zn存在的时候复合材料对甲醛的气敏性能会提升。通过对比研究得出了结论，材料的组成影响材料的选择性。本实验采用的原位刻蚀的方式，在控制材料组成的同时不改变材料的外观形貌，保证了空心结构及材料的稳定性。因此，本实验从实验方法及实验结论两个方面为多元复合材料的改性研究提供了解决方案。

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