ZnFe2O4、NiO纳米结构的设计及其气敏性能的研究

摘要

随着世界工业化水平飞速发展，刺激性、有害和有毒的气体排放与泄露的情况也日益增多，严重危害了人们的身体健康。因此，生产和制造高性能实时监测气体传感器来监测周围气体环境的需求越来越迫切。总的来说，气体传感是伴随气体种类和浓度变化而输出相应变化电信号的元件，而决定气体传感器性能的主要是其中的敏感材料。拥有微观结构的纳米材料因其独特的性质而被广泛运用于储能、催化和集成电路等领域。其中，金属氧化物半导体纳米材料具有稳定的化学性质、廉价和易得等优势而被广泛运用于气体传感器中，并且也已经展现了令人满意的性能。但是随着人们需求的提高，需要气体传感器有很好的综合性能。如何通过控制纳米材料的微观结构和组成来提高材料综合性能是我们研究所努力的方向。本论文主要为如下两个方面:
　　(1)以ZnFe2(C2O4)3为前驱体原位分解制备具有网状孔洞结构的多孔ZnFe2O4纳米棒及其气敏性能的研究
　　针对n型半导体材料ZnFe2O4，为了同时保持小纳米颗粒尺寸和良好的孔洞结构，围绕提高传感器的灵敏度、快速的响应/恢复速率，利用无表面活性剂辅助水热法和原位煅烧分解转化制备了多孔ZnFe2O4纳米棒，并测试了其气敏性能。研究表明:多孔ZnFe2O4纳米棒气体传感器对100 ppm丙酮的灵敏度为52.8，而且其响应/恢复时间缩短为1/11 s。得出分散良好的孔洞和相互连接的较小纳米颗粒不仅可以提供贯通的气体传输通道，而且可以保证更大的比表面积及相应的活性位点，这就使气体传感器件有较快的响应/恢复速率以及较高的灵敏度。
　　(2) NiC2O4为前驱体转化制备超薄纳米片组装的镂空分级NiO纳米棒及其铁掺杂气敏性能
　　首先基于他人的工作，我们进一步通过简单的水热法合成了NiC2O4纳米棒。将NiC2O4纳米棒通过原位煅烧分解制备了具有网状孔洞结构的多孔NiO纳米棒。然后通过柯肯达尔效应的前驱体转化反应方法，将简单的、具有均匀一维结构的NiC2O4纳米棒前驱体与NaOH溶液反应后退火转化为由超薄纳米片组装成的镂空分级NiO纳米棒。另外，该转化方法得到的产物还完美地保持了NiC2O4纳米棒前驱体的几何外形，其间产生的纳米孔结构不仅形成了多孔的镂空结构，还使得内层的草酸镍前驱体的转化过程进行的更彻底。演化生成的超薄纳米片构成的镂空分级NiO纳米棒具有开放的镂空管状结构以及特别的“纳米片-钠米棒”复合结构特点。我们分别测试了没有纳米结构的NiO纳米颗粒、多孔NiO纳米棒和由超薄纳米组装成的NiO纳米棒的气体传感器性能，随着纳米结构的改变，它们对100ppm的乙醇响应/恢复时间越来越短，分别是3.1/15.1 s、1.8/10.5 s和0.4/1.5 s。但是他们灵敏度都比较低，分别是4.72、4.58和5.58。为了提高材料的综合性能，我们对由纳米片构成的NiO纳米棒进行微量铁掺杂，发现3 at％的掺杂灵敏度最高，为206.2;响应和恢复速率也很快，为0.5/1.4 s。

目录

声明

摘要

1．1 引言

1．2 气体传感器的分类

1．2．1 电化学式气体传感器

1．2．2 红外线气体传感器

1．2．3 接触燃烧式气体传感器

1．2．4 热导气体传感器

1．2．5 金属氧化物半导体型气体传惑器

1．2．6 金属氧化物半导体型气体传感器的敏感机理

1．2．7 金属氧化物半导体型气体传感器的主要性能参数

1．3 应用于气体传感器的几种典型的纳米结构

1．3．1 多孔结构

1．3．2 中空结构

1．3．3 分等级结构

1．3．4 超薄二维材料

1．4 掺杂

1．5 选题思路及其创新点

第2章 ZnFe2O4纳米结构的设计及其气敏性能的研究

2．1 引言

2．2 实验与表征

2．2．1 试剂和仪器

2．2．2 实验方法

2．3 实验结果与讨论

2．4 气体传感器性能测试

2．5 本章小结

第3章 NiO纳米结构的设计及其气敏性能研究

3．1 引言

3．2 实验与表征

3．2．1 试剂和仪器

3．2．2 实验方法

3．3 实验结果与讨论

3．4 气体传感器性能测试

3．5 本章小结

4．1 工作总结

4．2 展望

参考文献

攻读学位期间的科研情况

致谢