基于ZnO NW/rGO的室温NO2光敏-气敏特性研究

摘要

NO2是形成雾霾和酸雨的原因之一，对人类的健康会造成极大危害。因此，对NO2的检测显得尤为重要。ZnO纳米墙(ZnO NW)是宽带隙材料，具有优异的光电性能和气敏性能，然而高温工作(200-400℃)限制了其应用和发展。光激发ZnO纳米墙表面时，在材料内部将生成大量电子-空穴对，从而提高载流子浓度，并且加速材料表面对气体的吸附和脱附。因此，光照可以有效提高其气敏性能，但光生电子-空穴对会在纯ZnO中发生严重复合。多孔石墨烯(porous rGO)的加入在一定程度上可有效抑制光生电子-空穴对的复合，进而提高其NO2光敏-气敏特性。本文首先采用喷涂法结合热还原法制备多孔rGO薄膜，然后在此薄膜基础上利用浸渍提拉法制备ZnO NW薄膜，以构筑ZnO NW/rGO异质结，研究该异质结在室温下的NO2光敏-气敏特性。
　　本研究主要内容包括：⑴制备的ZnO NW在提拉速率为6000μm/s、室温条件下，对功率为100％的波长为365 nm的光敏性为5.009，响应-恢复时间为43 s-10 s。相对室温无光照的NO2气敏性能， ZnO NW在该功率和波长的光照条件下，对50ppm NO2的灵敏度从3.226提高到33.172，响应-恢复时间为40 s-4 s。为了探究光照对ZnO NW气敏特性影响的机理，对样品进行表面光电流检测(激发光波长为300-500 nm)，结果表明当激发光波长处于365 nm时，ZnO NW表面光电流值最大，为11×10-12 A。这意味着样品在波长为365 nm的光激发下，有高的光诱导电荷分离效率，受到光照时在ZnO内部会有大量电子-空穴对生成。然后，光生电荷会在自建电场的影响下迁移到样品表面，与氧负离子和被注入气箱中的NO2分子发生氧化还原反应，从而提高对NO2的气敏性能。0.2mg/mL制备得到的多孔石墨烯在室温条件下对50 ppm NO2的灵敏度为1.376，响应-恢复时间为24 s-50s。rGO对NO2的气敏性能随着喷涂浓度的增加从1.376下降到1.068。经过对样品拉曼分析得到，随着喷涂浓度(0.2-0.8mg/mL)的增加，rGO厚度增加， ID/IG积分值增大，因为缺陷与ID/IG积分值成正相关，即说明样品中缺陷和杂质增多，导致气敏性能下降。提拉速率为6000μm/s、喷涂浓度为0.2mg/mL制备的ZnO NW/rGO异质结在室温条件下，对功率为100%的波长为365 nm的光敏性为6.279，响应-恢复时间为35s8s。与室温无光照条件相比，异质结在该功率和波长的光照条件下对50 ppm NO2的灵敏度从5.328提高到35.103，响应-恢复时间为38s-3s。相对纯ZnONW，异质结表面光电流从11×10-12 A提高到19×10-12A，这说明异质结在光照条件下能够产生更多的电子-空穴对；除此之外，导电性优异的石墨烯作为电子受体负责传输载流子，可以有效地抑制光生电子-空穴复合，使更多的光生电荷参与氧化还原反应。

目录

主要符号表

1 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 气敏材料ZnO

1.3 石墨烯

1.4 ZnO/石墨烯复合材料

1.5 光电气体传感器

1.6 目前存在的问题与本课题研究内容

2 实验方法与研究过程

2.1 实验药品与仪器设备

2.2 研究方法与技术路线

2.3 浸渍提拉法制备ZnO NW

2.4 喷涂法结合热还原法制备rGO薄膜

2.5 原位生长法制备ZnO NW/rGO异质结

2.6 实验检测方法

3 ZnO NW的光敏-气敏性能研究

3.1 引言

3.2 提拉速率对ZnO NW形貌的影响分析

3.3 不同提拉速率ZnO NW的XRD分析

3.4 ZnO NW的TEM分析

3.5 ZnO NW的室温光敏-气敏性能分析

3.6 ZnO NW光敏-气敏作用机理分析

3.7 本章小结

4 多孔石墨烯的气敏性能研究

4.1 引言

4.2 多孔rGO的TEM分析

4.3 多孔rGO的SEM分析

4.4 多孔rGO的XRD分析

4.5 不同喷涂浓度rGO薄膜的导电性能分析

4.6 喷涂浓度对多孔rGO气敏性能的影响分析

4.7 多孔rGO对NO2的气敏反应机理分析

4.8 本章小结

5 ZnO NW/rGO异质结的光敏-气敏性能研究

5.1 引言

5.2 ZnO NW/rGO异质结的微观结构分析

5.3 ZnO NW/rGO异质结的光敏-气敏性能分析

5.4 ZnO NW/rGO常温光照条件下对不同气体的气敏性能的分析

5.5 ZnO NW/rGO异质结光敏-气敏作用机理

5.6 本章小结

6 结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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