基于金属氧化物与纳米碳复合气敏材料的制备及其性能研究

摘要

随着人们生活质量标准的不断提高和对生产、生活安全的逐渐重视，对气体传感器的性能也就提出了更多的要求。金属氧化物半导体气体传感器作为气体传感器中研究的最多、应用最广泛的气体传感器，相比于其他气体传感器有着灵敏度高、价格便宜的优点，但也存在着稳定性差、选择性不唯一的不足。SnO2作为金属氧化物半导体气敏材料中最重要的一员，如何在保证SnO2气体传感器较高灵敏度的前提下，尽可能的提高传感器的稳定新和选择性，一直以来都是SnO2气体传感器研究的热点。近些年碳纳米材料，尤其是以石墨烯和碳纳米管为代表的低维碳材料近年来开始在气敏传感器领域崭露头角。
　　结合SnO2材料和碳纳米材料各自的优势，制备综合性能优异的复合气敏材料目前是气敏传感器发展的重要方向之一。本论文实验利用乙炔在高温下的裂解反应一步制备了碳黑与SnO2复合气敏材料，并测试了该碳修饰材料对多种气体的响应。通过XRD、SEM、Raman和HRTEM对碳修饰SnO2样品进行成分和形貌的表征，并研究分析了退火处理对复合材料形貌和气敏性能的影响。研究发现经过碳修饰处理以后SnO2颗粒表面相对均匀的沉积了一层碳黑颗粒，气敏测试表明该碳包覆 SnO2灵敏度比于未处理的 SnO2样品低，这是因为表面连续的碳层阻碍了SnO2与气体分子间的气敏反应。将上述材料进一步退火处理发现在相同测试条件下对1000 ppm乙炔的灵敏度比纯SnO2样品提高了接近一倍。HRTEM分析表明退火处理后SnO2表面碳层由连续变为相互分离的岛状颗粒。SEM分析也表明退火后复合材料的团聚现象明显减少，颗粒分布更加疏松。
　　论文第四章实验基于SnO2半导体气敏材料，通过引入玻璃基质 B2O3和稀土CeO2合成了SnO2-B2O3-CeO2荧光玻璃，合成了一种潜在的荧光气敏材料。通过分析测试结果讨论了合成玻璃样品的反应机制，并研究分析了玻璃样品的荧光性能，讨论其作为荧光气敏材料的可行性。通过分析本论文提出了合成这种荧光玻璃的反应机理，即SnO2和CeO2在高温条件下都会失去氧原子，不同的是CeO2失去氧后成为Ce3+进入到玻璃中，而SnO2经过反复的分解和SnO的歧化反应后放出O2，生成了Sn单质和少量的SnO2颗粒。反应中生成的O2与坩埚中的BN反应得到B2O3玻璃。荧光光谱测试表明该玻璃样品存在三个激发峰，峰值分别位于217 nm、281 nm、375 nm；一个发射峰，峰值波长为433 nm。

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第一章 绪论

1.1 气敏传感器及其分类

1.2 金属氧化物半导体气敏传感器

1.3 碳纳米材料在气体传感器领域的应用

1.4 荧光气体传感器研究现状

1.5 论文主要研究内容

第二章 实验及测试方法

2.1 实验方案设计

2.2 实验试剂和仪器设备

2.3 性能表征分析方法

第三章 碳修饰SnO2气敏材料的制备和性能分析

3.1 引言

3.2 碳修饰SnO2气敏传感器的制备

3.3 碳修饰SnO2气敏性能

3.4 碳修饰SnO2的成分及形貌分析

3.5 退火对碳修饰SnO2气敏性能和形貌的影响

3.6 本章小结

第四章 SnO2-B2O3-CeO2荧光气敏材料的制备及分析

4.1 引言

4.2 荧光气敏玻璃的制备

4.3 荧光气敏玻璃的成分和结构分析

4.4 反应机理分析和结构讨论

4.5 光学性能测试

4.6 本章小结

第五章 结论和工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果