掺C介孔纳米WO3纤维在不同外场作用下的气敏性能及机理研究

摘要

近几年来,室内气体污染日趋严重,各种有机挥发性气体以及有毒有害气体,比如甲醛和甲苯,严重损害人们的身体健康。因此,越来越多的研究者开始关注室内气体的监测与净化。对于室内污染气体的检测,金属氧化物半导体气敏材料因其性能和成本的优势被广泛应用,譬如ZnO、WO3、SnO2等。本文将以WO3作为基本的研究材料,通过用棉花为模板制备掺C介孔WO3纤维(简称为C-WO3),并从激发外场(热场和光场)的角度结合气敏机理进行研究,比较系统的考察了该种材料对典型的室内污染气体的气敏性能,包括灵敏度、选择性、稳定性以及湿度的影响。
　　通过对热场作用下气敏性能的研究,发现C-WO3对甲苯以及二甲苯这类芳香烃(不包括苯)具有极高的灵敏度,对50ppm甲苯和50ppm二甲苯的响应值分别达到91和199,响应值与测试气体浓度基本成线性关系。这种性能的提升归因于C-WO3较大的比表面积、特殊的介孔结构以及禁带宽度的缩小。此外,通过在不同湿度下测试气敏性能,发现C-WO3具有一定的湿度稳定性,在86％的相对湿度下对50ppm甲苯响应值仍有15。最后通过对比测试了其他典型室内污染气体(甲醛、苯、乙醇和甲烷)的气敏响应,发现关于C-WO3对甲苯以及二甲苯还具有很高的选择性,并从热力学和动力学角度提出了选择性的机理:选择性来源于有机测试气体在气敏材料表面不同的吸附特性和氧化脱氢时所需要的能量大小。
　　通过用光场(可见光)激发C-WO3,初步探索了WO3室温气敏元件的特性;提出了与传统不同的响应定义方法,并将其与气敏反应联系起来。结果发现,用白光激发C-WO3所得到的气敏性能比用蓝光激发的好,而且在一定范围内增大光强气敏响应值呈线性提升。通过在不同湿度下测试,发现湿度严重损害室温下的光激发气敏性能。在选择性测试中,C-WO3对甲醛、甲苯和丙酮均表现出一定的响应,而对乙醇响应很差。此外,在文中提出了光场作用下的气敏机理:在光激发下,气敏材料表面产生光生氧负离子[O2-(hv)],其与测试气体发生氧化还原反应释放出电子,从而表现出气敏响应。并通过将C-WO3作为光催化剂降解甲醛,证实了该机理。基于这项研究,实验结果表明WO3作为窄禁带的n型半导体是良好的光激发气敏材料,而且用光场替代热场激发气敏材料是一种有效解决高温问题的途径。

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1 绪 论

1.1 引言

1.2气敏传感器与气敏材料

1.3 气敏传感器的主要技术指标

1.4三氧化钨的晶体结构和基本性质

1.5 纳米三氧化钨制备方法

1.6 三氧化钨基气敏材料的研究现状

1.7 三氧化钨基气敏材料存在的问题及发展方向

1.8 本课题的选题思路及主要工作内容

2 掺C介孔三氧化钨纤维(C-WO3)的制备及其表征

2.1 实验原料与设备

2.2 C-WO3的分析与表征

3 C-WO3在热场作用下的气敏性能

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与分析

3.4 热激发条件下的气敏机理

3.5 本章小结

4 C-WO3在光场(可见光)作用下的气敏性能

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与分析

4.4 光激发条件下的室温气敏机理

4.5 本章小结

5 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的论文