亚稳相WO3纳米气敏材料的晶面调控及其对丙酮的选择性响应和敏感机理研究

摘要

应用于环境监测和呼气诊病领域的气体传感器，对目标气体的敏感性、选择性和工作稳定性的实现主要依赖于核心气敏材料的设计。WO3具有优异的气敏性能，然而由于其物相结构多变性，对亚稳WO3材料的气敏性能和敏感机理还缺乏明确的认识。本课题通过水热法，制备得到了暴露不同晶面的亚稳相WO3纳米材料，研究亚稳相WO3的活跃晶面对超低浓度丙酮气体的敏感性和选择性，并在电子完全耗尽模型的基础上，研究亚稳相WO3表面的氧吸附行为和表面还原行为，最终建立了亚稳相WO3纳米材料对丙酮的表面气敏机理模型，为实现WO3纳米材料在呼气诊病中的检测应用打下理论和实验基础。
　　利用水热法中 NH4+离子的结构导向作用，实现了六方WO3纳米棒沿晶轴的择优取向生长，优先暴露出活跃的(002)晶面，对丙酮气体具有显著的选择性敏感特征。以柠檬酸作为水热法导向剂，结合后续热处理工艺，制备得到的三斜相WO3纳米片暴露(002)晶面，对丙酮气体实现了选择性敏感。六方和三斜相WO3纳米材料(002)晶面活性较高，不饱和配位氧原子的非对称排布带来一定程度表面局部极化，对偶极距较大的丙酮气体具有较强的选择性吸附和耦合作用。改变WO3纳米棒的组装形式，得到的暴露(002)晶面的纳米棒无序组装微球分级结构，具有62m2/g的比表面积，对1 ppm丙酮的灵敏度为3.53，响应和恢复时间分别为9s和14s，综合性能满足呼吸诊病应用的基本要求。多孔性、活跃(002)晶面的暴露和表面高浓度的结构缺陷，构成分级结构WO3微球材料优异的丙酮敏感性和选择性的原因。
　　在前期实验成果的基础上，结合半导体材料在电子完全耗尽模型下的电性能与表面气体吸附的关系，研究发现亚稳三斜和六方相 WO3的表面吸附氧形态主要为O－；在湿度环境中，非极性的H2分子主要与三斜和六方WO3表面的吸附氧O－发生表面还原作用，而弱极性的CO分子能与两种材料的吸附氧O－和晶格氧OL共同发生表面还原反应，并以晶格氧为主导。三斜WO3表面对CO的敏感性随湿度逐渐增加，六方 WO3表面的CO还原行为基本不受湿度影响。在简单气体表面还原行为的基础上，建立了丙酮气体敏感模型，认为三斜和六方 WO3的活跃晶格氧和表面吸附氧都能与表面丙酮分子发生敏感反应，受湿度影响较弱，能够耐受呼气检测的高湿度复杂环境。

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第一章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 半导体纳米材料气敏性能的基本原理和影响因素

1.3 优化半导体纳米材料气敏性能的手段和途径

1.4 WO3纳米材料微结构设计、气敏机理的研究与发展

1.5 本课题的选题依据和主要研究内容

第二章 实验过程和测试方法

2.1 实验原料与试剂

2.2 水热法制备WO3纳米材料的基本流程

2.3 微观结构及物相表征方法

2.4 气敏传感器的制备及气敏性能的测试方法

2.5 材料表面氧吸附及还原行为分析测试方法

第三章 亚稳相WO3纳米材料的晶面调控及其对丙酮的敏感性能和机理

3.1 前言

3.2 六方WO3纳米棒的晶面调控及其对丙酮的选择性敏感

3.3 单斜和三斜WO3纳米片的晶面调控及其对丙酮的选择性敏感

3.4 不同结构(002)晶面的WO3纳米材料气敏机理分析

3.5 本章小结

第四章 晶面择优的六方相WO3分级纳米结构的制备及其对丙酮的敏感性能和机理

4.1 前言

4.2 暴露(002)晶面的WO3纳米棒组装阵列的制备与气敏性能

4.3 暴露(002)晶面的WO3纳米棒组装微球的制备与气敏性能

4.4 择优暴露(002)晶面的WO3分级结构的气敏选择性机理分析

4.5 本章小结

第五章 暴露活跃晶面的亚稳相WO3的表面氧吸附行为

5.1 前言

5.2 三斜和六方相WO3纳米材料及其传感器的制备与表征

5.3 干燥气氛中三斜和六方相WO3表面的氧吸附行为

5.4 不同湿度条件下三斜和六方相WO3表面的氧吸附行为

5.5 三斜、六方相与稳定单斜WO3材料表面氧吸附行为的对比

5.6 本章小结

第六章 暴露活跃晶面的亚稳相WO3的表面还原行为和气体敏感模型

6.1 前言

6.2 干燥气氛中三斜和六方相WO3的表面还原行为分析

6.3 不同湿度条件下三斜和六方相WO3的表面还原行为分析

6.4 三斜、六方相和稳定单斜WO3材料表面还原行为的对比

6.5 亚稳相WO3纳米材料表面对丙酮气体的敏感模型

6.6 本章小结

第七章 全文结论与展望

7.1 全文结论

7.2 未来工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢