SnO2-TiO2介孔材料的制备及其气敏性能的研究

摘要

SnO2是一种MO2型金属氧化物半导体材料，常被用于气体传感器的感应材料。传统的气体传感器通常由单一材料制备而成，其性能往往存在灵敏度偏低、工作温度偏高、稳定性较差等问题。深入的研究发现，以SnO2为气敏材料为主要成分，合成两种或多种金属氧化物，或掺杂稀土等，能引入缺陷、降低晶界势垒，从而达到提升气体元件气体性能的目的。本文采用水热的制备方法，以SnCl4·5 H2O和TBOT为前驱物，蔗糖为模板，制备出具有珊瑚状形貌介孔 SnO2材料和介孔 SnxTi1-xO2固溶体材料，并对珊瑚状介孔纳米材料材料SnO2进行p型掺杂。通过XRD、XPS、SEM、TEM、BET等测试表征方法对材料晶型、成分、晶粒大小、形貌等性质进行表征。系统的研究了SnxTi1-xO2体系、SnO2/CuO-SnO2体系在VOCs、H2、H2S等具有还原性气氛中的气敏性能。
　　本研究主要内容包括：⑴所制备的介孔SnxTi1-xO2材料均为四方晶系金红石型结构，表征图谱中显示粉体形貌呈现珊瑚状结构。珊瑚状介孔SnxTi1-xO2纳米材料中Ti4+以类质同象的方式取代Sn4+进入SnO2晶格内，在XRD表征图谱中没有出现TiO2特征峰，通过 XPS进一步检测分析，图谱结果显示复合粉体中含有 Ti元素。珊瑚状介孔SnxTi1-xO2纳米材料的晶粒大小在5.5~8.9之间，具有非常小的晶粒尺寸。珊瑚状SnxTi1-xO2比表面积为60.59~64.38 m2/g，孔径尺寸为14nm~20nm，孔容积为0.265~0.325 cm3/g，具有非常大的比表面积，纳米晶粒形成珊瑚状团聚并具有介孔结构。Ti质量含量为9.1％的SnxTi1-xO2在较低工作温度（160℃）表现出优异的气敏性能，对VOCs气体如乙醇的响应及恢复时间都在15s左右，对600ppm乙醇的灵敏度高达S=1842。相较纯的SnO2，SnxTi1-xO2对H2的检测浓度范围广（5-2000ppm），并在工作温度为200℃时，对100ppm氢气灵敏度高达S=19.6，具有较大的实用价值。⑵所制备的SnO2和CuO-SnO2材料均为四方晶系金红石结构。采用Scherrer公式计算掺杂后的SnO2晶粒大小在9.6nm左右。SnO2材料的形貌呈现出珊瑚状，晶格堆砌成介孔交联结构， SnO2-CuO-0.2, SnO2-CuO-0.5, SnO2-CuO-1.0， SnO2-CuO-2.0样品的比表面积分别为72.97 m2/g，58.77 m2/g，49.72 m2/g，54.95 m2/g。通过系统的测试元件对乙醇、甲醛、H2S气体的气敏性能，结果表明元件对 H2S表现出优异的灵敏度，而对乙醇、甲醛灵敏度较低。其中元件SnO2-CuO-0.5在最佳工作温度100℃时，对10ppm H2S灵敏度高达S=4173。本次试验中，当掺杂量为0.5％时，元件表现出比其他掺杂比例元件更优异的气体性能，其最佳工作温度较其他元件低80℃，对目标气体H2S灵敏度是其他元件6倍以上，当掺杂CuO的量增加到2％时，元件灵敏度降低了很多，由此可见，掺杂可以引入晶格缺陷，但需要谨慎考虑掺杂量的问题。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 课题研究的目的与意义

1.2 金属氧化物气体传感器研究进展

1.3 纳米二氧化锡的合成

1.4 半导体型气体传感器的工作原理及其气敏机理

1.5 本论文研究的目的、意义及主要内容

第2章 珊瑚状介孔纳米材料的制备

2.1 珊瑚状介孔SnxTi1-xO2纳米材料的制备及表征

2.2 掺杂型珊瑚状介孔SnO2纳米材料的制备

2.3 本章小结

第3章 珊瑚状纳米材料的气敏性能研究

3.1 气敏测试原理

3.2 气敏测试主要测试指标

3.3 旁热式气敏元件的制备

3.4 珊瑚状介孔SnxTi1-xO2纳米材料对VOCs的气敏性能研究

3.5 珊瑚状介孔SnxTi1-xO2纳米材料对氢气气敏性能研究

3.6 掺杂型珊瑚状介孔SnO2对H2S气体的气敏性能研究

3.7 本章小结

第4章 结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

参考文献

硕士期间取得的成果

致谢