Zn和Sn氧化物基气敏材料的制备及性能研究

摘要

近年来，伴随经济与社会的快速发展，环境问题已经成为人类面临的重要难题之一。雾霾天气频发、臭氧层破坏、酸雨现象以及全球变暖等一系列环境问题在很大程度上与人们的生产和生活排放的有毒有害气体有关，因此研究性能优异的气敏传感器，对有毒有害气体进行检测和管理是十分重要的。气敏材料是气敏传感器的重要组成部分，高性能气敏材料是构建性能优异的气敏传感器的关键。前人的研究发现，材料的尺寸、形貌以及组成是影响气敏材料性能的关键因素，通过材料尺寸和形貌控制，并调节材料的组成以提高气敏性能的研究已经成为当今的一个热点。
　　本论文通过组成、形貌调控，制备了系列半导体氧化物气敏材料，并以其为载体负载贵金属纳米颗粒，充分发挥载体与贵金属的协同作用，获得了性能更加优异的气敏材料。通过气敏性能测试，探讨了气敏性能与材料结构之间关联的科学本质，并探索了材料的气敏机理。论文主要研究内容和成果如下:
　　1.通过制备条件控制，对材料的颗粒尺寸和微观形貌进行调节，制备了小尺寸ZnO纳米颗粒和SnO2量子点。经气敏性能测试发现，ZnO颗粒尺寸减小可明显提高其对NO2的气敏响应，缩短响应恢复时间，并提高选择性;SnO2量子点因其颗粒更加微小，对乙醇具有很高的气敏响应，且响应和恢复时间均可缩短至1 s，可实现对乙醇的快速、灵敏检测。
　　2.采用前驱体焙烧法分别制备了由ZnO纳米颗粒有序组装形成的结构更稳定的管状和蒲公英状3-D多级结构。多级结构由ZnO纳米颗粒组成的纳米棒或纳米片，再经组装形成蒲公英状或管状的开放结构，并可通过控制焙烧温度调节纳米颗粒的粒径和孔分布。材料丰富的孔结构以及开放式结构利于气体扩散并与材料发生相互作用，从而对乙醇具有很高的气敏响应和较短的响应恢复时间。同时，由于蒲公英状多级结构ZnO的稳定结构使其对乙醇的响应具有很好的重复性，对0～160 ppm乙醇的响应值与气体浓度具有较好的线性关系，线性相关系数高达0.9992，可实现对乙醇的半定量检测。
　　3.采用水热法及后续焙烧处理制备了由3～6 nm的介孔纳米片形成的SnO2多级结构微球，与片状SnO2对比发现，多级结构微球对乙醇具有更高的气敏响应和更高的上检测限。分析发现，多级结构SnO2中纳米片垂直立于微球表面，开放式的结构可促使乙醇与材料直接接触，并为气体吸附提供更多的活性位;同时，材料的介孔结构可利于气体在材料内部扩散，使气体与材料充分接触。此外，组成SnO2多级结构微球的纳米片厚度较薄，可促进氧气对材料电子的捕获，从而提高了材料的气敏性能。
　　4.基于Pd的不同晶面对气体吸附及催化能力的不同，制备了系列具有不同晶面特征的Pd纳米颗粒，将其负载于ZnO纳米棒，通过对H2的敏感性能测试，考察了不同晶面暴露的Pd对其修饰的ZnO的气敏性能，结果显示不同形貌的Pd对H2的吸附能力不同，进而影响其修饰的ZnO对H2的敏感性能。以(100)晶面暴露的立方体Pd修饰的ZnO对H2的响应值最高、响应时间最短，而恢复时间较长。
　　5.基于多组分贵金属协同原理，制备了Pt与Au高度分散且比例接近1∶1的PtAu纳米合金颗粒，将其负载于ZnO纳米棒后进行了气敏性能测试，结果发现PtAu合金修饰的ZnO对H2的响应值是Pt与Au共同修饰ZnO的3倍，Au单独修饰的10倍，Pt单独修饰的50倍，主要是由于PtAu形成合金后多元贵金属间的相互作用和协同效应可使其对H2的吸附能力比单组分贵金属更强。此外，PtAu合金修饰的ZnO对H2也具有很好的敏感选择性，可实现低温时对H2的检测，并且在H2浓度很低时响应值依然较高。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 气敏传感器

1．2．1 气敏传感器简介

1．2．2 气敏传感器的应用

1．3 气敏传感器的敏感机理

1．4 影响气敏传感器性能的因素

1．4．1 操作温度

1．4．2 材料颗粒尺寸

1．4．3 比表面积

1．4．4 材料的形貌和结构

1．4．5 材料的组成

1．4．6 环境湿度

1．5 气敏性能的测试参数

1．5．1 响应值

1．5．2 选择性

1．5．3 响应恢复时间

1．5．4 检测限

1．5．5 稳定性

1．6 本论文的主要研究内容

1．6．1 论文的研究意义

1．6．2 论文的主要研究内容

第二章 实验部分

2．1 实验原料

2．2 实验内容

2．2．1 ZnO纳米颗粒的制备

2．2．2 SnO2量子点的制备

2．2．3 管状多级结构氧化锌的制备

2．2．4 蒲公英状多级结构氧化锌的制备

2．2．5 多级结构SnO2微球的制备

2．2．6 不同形貌纳米Pd修饰的ZnO纳米棒的制备

2．2．7 多元贵金属纳米颗粒修饰ZnO的制备

2．3 样品的分析与表征

2．3．1 X射线粉末衍射分析

2．3．2 扫描电子显微镜(SEM)分析

2．3．3 透射电子显微镜(TEM)分析

2．3．4 傅里叶变换红外光谱分析

2．3．5 紫外吸收光谱分析

2．3．6 X射线光电子能谱

2．3．7 低温氮气吸脱附

2．4 气敏性能测试

2．4．1 静态测试系统和测试方法

2．4．2 动态测试系统和测试方法

第三章 小尺寸半导体氧化物制备及气敏性能研究

3．1 前言

3．2 成核／晶化隔离法ZnO纳米颗粒的可控制备及气敏性能

3．2．1 Zns(CO3)2(OH)6前驱体的结构与形貌表征

3．2．2 小尺寸ZnO的结构与形貌表征

3．2．3 小尺寸ZnO的气敏性能

3．2．4 本节小结

3．3 小尺寸SnO2的制备及其气敏性能

3．3．1 SnO2量子点及焙烧物的形貌及结构表征

3．3．2 小尺寸SnO2的气敏性能

3．3．3 本节小结

3．4 本章小结

第四章 ZnO和SnO2微纳多级结构材料的制备及其气敏性能

4．1 前言

4．2 管状多级结构ZnO的制备及其气敏性能

4．2．1 管状多级结构ZnO的形貌与结构表征

4．2．2 管状多级结构ZnO的形成过程研究

4．2．3 管状多级结构ZnO的气敏性能

4．2．4 本节小结

4．3 蒲公英状多级结构ZnO的制备及其气敏性能

4．3．1 蒲公英状多级结构ZnO的形貌及结构表征

4．3．2 合成条件对蒲公英状多级结构ZnO形貌的影响

4．3．3 蒲公英状多级结构ZnO的气敏性能及机理研究

4．3．4 本节小结

4．4 球形多级结构SnO2及其气敏性能

4．4．1 球形多级结构SnO2的结构与形貌表征

4．4．2 球形多级结构SnO2的气敏性能

4．4．3 本节小结

4．5 本章小结

第五章 贵金属修饰ZnO的制备及其氢气气敏性能

5．1 前言

5．2 Pd修饰的ZnO纳米棒及其H2敏感性能

5．2．1 ZnO纳米棒的结构与形貌表征

5．2．2 Pd修饰的ZnO纳米棒的结构和形貌表征

5．2．3 Pd修饰的ZnO纳米棒的电子结构分析

5．2．4 Pd修饰的ZnO纳米棒的H2气敏性能

5．2．5 本节小结

5．3 多元贵金属修饰的ZnO纳米棒及其H2气敏性能

5．3．1 PtAu合金的结构和形貌表征

5．3．2 多元贵金属修饰的ZnO纳米棒的形貌及电子结构分析

5．3．3 多元贵金属修饰的ZnO纳米棒的H2敏感性能

5．3．4 贵金属合金修饰的ZnO对H2的气敏机理探讨

5．3．5 本节小结

5．4 本章小结

第六章 结论

参考文献

本论文创新点

致谢

研究成果及发表的学术论文

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