α-Fe2O3@SnO2核壳纳米管异质结构的制备及其气敏性能研究

摘要

三氧化二铁(α-Fe2O3)和二氧化锡(SnO2)，归功于其本身具有的各项独特性质，在传感、能源、环境等领域得到广泛的开发研究。具体到气敏研究领域，这两类材料由于其自身独特性质，一直受到研究人员的关注。在近些年来，基于这两类材料的气敏器件得到大量研究。通过对材料结构和形貌的调控，研究人员详细探讨了器件的气敏性能的变化。然而随着科技进一步发展，人们对气敏器件的性能指标提出了更高的要求。传统采用的形貌调节等手段很难实现新的目标。基于以上背景，研究人员提出全新思路，通过将不同材料的复合，利用不同材料之间的协同作用，如异质结势垒的变化，实现气敏器件性能的大幅度改善。在这种思想指导下，多种以α-Fe2O3/SnO2复合材料氧化物作为敏感材料的气敏器件被开发。通过详细对比研究，研究人员发现复合材料中，材料的形貌和结构体现出与单体材料有所不同的性质。因此，为了进一步研究分析此类复合材料的气敏性能并进一步加以改善，有必要采用较为温和简单的手段获取不同结构和形貌的α-Fe2O3/SnO2复合气敏材料。
　　基于上述研究背景，我们首次制备获得α-Fe2O3@SnO2核壳异质结纳米管并作为敏感材料制作旁热式气敏元件，研究了该传感器对丙酮气体的敏感特性。本文中我们采用多次水热的方法制备了异质结α-Fe2O3@SnO2核壳纳米管。首先水热制备出α-Fe2O3纳米管，离心分离干燥获得纯α-Fe2O3纳米管样品后，再次采用水热法在α-Fe2O3纳米管外部沉积一层SnO2纳米颗粒层，从而形成α-Fe2O3@SnO2核壳纳米管异质结构。该α-Fe2O3@SnO2复合材料表现出非常优异的气敏性能。对比纯的α-Fe2O3纳米管和SnO2纳米颗粒，这种异质结纳米管对丙酮表现出了非常优异的气敏性能。在300℃的温度下，该复合材料对100 ppm丙酮浓度的灵敏度高达33.4。该种材料具有很快的响应速率和恢复速率，同时也表现出了优异的气体选择性。我们基于该复合材料制作的气敏元件分别对10 ppm，50 ppm，100 ppm浓度的丙酮进行了3个暂态实验测试，每个暂态测试持续4个循环，发现该元件表现出优秀的稳定性和重复性。同时，我们还对器件在一个月内对100 ppm的丙酮长期气敏性能的稳定性进行测试，结果显示该材料具有优异的气敏稳定性。这也是材料未来进一步实用化的重要基础。除了多孔结构和管状结构有利于气体的吸附和传输外，异质结的势垒高度在不同气氛中的变化可能是α-Fe2O3@SnO2复合氧化物传感性能提升的主要原因。
　　通过系统研究α-Fe2O3@SnO2核壳异质结纳米管的结构、组份、尺寸对材料气敏性能的影响，辅以对实验数据的分析总结，初步对此类二元复合异质结气敏材料的机理、性能进行了研究分析。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 气体传感器简介

1．2．1 气体传感器的发展历史

1．2．2 气体传感器的分类及性能

1．3 金属氧化物半导体材料在气体传感器中的应用

1．3．1 常见的金属氧化物半导体敏感材料

1．3．2 金属氧化物半导体气体传感的研究背景及其研究方法意义

1．4 选题依据和研究内容

1．5 本章小结

第2章 α-Fe2O3@SnO2核壳纳米管异质结构的合成及其气体传感性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验药品与实验仪器

2．2．2 敏感材料的制备

2．2．3 表征与气敏元件的制作及其性能测试

2．3 结果讨论

2．3．1 敏感材料的形貌结构表征

2．3．2 α-Fe2O3@SnO2的气敏性能测试及讨论

2．4 本章小结

第3章 总结与展望

3．1 工作总结

3．2 展望

参考文献

在学期间发表的学术论文及研究成果

致谢