基于水滑石類化合物制備復(fù)合氣敏材料.pdf

1、氣體傳感器在環(huán)境、工業(yè)、食品、交通、國(guó)防等領(lǐng)域都有非常重要的應(yīng)用價(jià)值，其基礎(chǔ)的也是核心的組分是氣敏材料。半導(dǎo)體金屬氧化物、導(dǎo)電聚合物是最常應(yīng)用的兩類氣敏材料，它們分別用于高溫和低溫（室溫）的工作條件。但是，單一的半導(dǎo)體金屬氧化物、導(dǎo)電聚合物都由于各自的缺陷從而限制了其應(yīng)用。研究表明通過(guò)多組分復(fù)合、元素?fù)诫s等方式可以改進(jìn)其各自的氣敏性能并擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，因此近年來(lái)越來(lái)越多的研究開(kāi)始致力于制備復(fù)合金屬氧化物氣敏材料及有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合氣敏材料。<

2、br>　　 本論文首先以含稀土元素的水滑石類化合物(Hydrotalcite-Likecompounds，簡(jiǎn)稱HTLcs)為前驅(qū)體分別制備了兩種稀土摻雜的復(fù)合氧化物。創(chuàng)新性地在HTLcs前驅(qū)體的合成過(guò)程中直接引入稀土元素Ce，進(jìn)一步通過(guò)焙燒反應(yīng)制備復(fù)合氧化物氣敏材料，獲得了稀土金屬氧化物與半導(dǎo)體金屬氧化物復(fù)合的材料，即同時(shí)實(shí)現(xiàn)元素?fù)诫s與金屬氧化物復(fù)合的雙重功效，該方法制備的復(fù)合氧化物具備很好的乙醇敏感性能。此外，鑒于剝離后的HTLcs

3、表面仍然有富余的正電荷，易于通過(guò)靜電自組裝制備成多層薄膜，且其無(wú)機(jī)層板具備一定的穩(wěn)定層間分子的作用，本論文將剝離的HTLcs納米層板與導(dǎo)電聚苯胺分子（PANI）通過(guò)靜電自組裝方法制備了有機(jī)無(wú)機(jī)多層復(fù)合薄膜，該方法提高了PANI的熱穩(wěn)定性，并提高了聚苯胺分子對(duì)氨氣的敏感性能。
　　 主要研究?jī)?nèi)容和研究結(jié)果如下:
　　 1)采用共沉淀法制備了不同Ce摻雜含量的ZnAl-HTLcs（Ce-dopedZnAl-HTLcs），分別

4、考察了Ce的摻雜量和焙燒溫度對(duì)復(fù)合氧化物氣敏性能的影響。結(jié)果表明，Ce的摻雜對(duì)提高氣敏性能起了關(guān)鍵作用，特別是摻Ce量為6.18％的前驅(qū)體ZAC4制備的復(fù)合氧化物ZAC4-600具有最好的氣敏性能，與未摻Ce制備的復(fù)合氧化物ZA-600相比，其對(duì)1000 ppm乙醇的最佳工作溫度降低了50℃，響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間縮短至2/10 s(ZA-600為14/85s)，且靈敏度增大了14.4倍，而且焙燒溫度為600℃時(shí)獲得的復(fù)合氧化物具備較高的氣敏響應(yīng)

5、值，響應(yīng)恢復(fù)迅速，穩(wěn)定性較好。
　　 此外，按照Z(yǔ)AC4-600中金屬元素的比例，采用物理共混法在同等焙燒條件下制備了復(fù)合氧化物ZAC4-600-gh，發(fā)現(xiàn)HTLcs前驅(qū)體法制備的ZAC4-600金屬元素分布均勻、晶粒尺寸可控，并且各組分正向協(xié)同作用明顯，在260℃的工作溫度下其靈敏度是ZAC4-600-gh的2.4倍。同時(shí)，與乙醇、甲苯、甲酰胺、一氧化碳、氨水和汽油相比，ZAC4-600對(duì)乙醇具備較高的選擇性。
　　

6、2)同樣采用共沉淀法制備了新型的Ce摻雜的CdAl-HTLc(Ce-dopedCdAl-HTLc)，以Ce-doped CdAl-HTLc為前驅(qū)體在600℃下焙燒制備了CdO/Al2O3/CeO2復(fù)合氧化物，該復(fù)合氧化物對(duì)1000 ppm的乙醇具有較高的靈敏度，在190℃時(shí)靈敏度達(dá)到最大值890，響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間為32/297 s，綜合考慮靈敏度和響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間，最終選定230℃為其最佳工作溫度（靈敏度為488，響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間為12/72

7、s）。對(duì)比由未摻雜Ce的CdAl-HTLc制備的復(fù)合氧化物CdO/Al2O3、化學(xué)純的CeO2及同等條件下焙燒的Ce鹽，結(jié)果表明Ce摻雜與HTLcs前驅(qū)體法相結(jié)合獲得的復(fù)合氧化物組分中的CdO、Al2O3和CeO2的協(xié)同作用顯著。此外，還考察了此條件下對(duì)1000 ppm乙醇、甲醇、2-丙醇、苯、氨水、甲酰胺、甲苯、汽油的選擇性，結(jié)果表明CdO/Al2O3/CeO2對(duì)醇類的靈敏度都很高，但是對(duì)非醇類氣體的靈敏度較低，說(shuō)明該類復(fù)合物可以作為

8、潛在的醇類敏感材料的候選。
　　 3)將ZnAl-HTLc前驅(qū)體剝離后獲得的納米層板與PANI分子通過(guò)層層自組裝的方法制備了(ZnAl-HTLc/PANI)n多層復(fù)合薄膜，在室溫下對(duì)氨氣具有較高的響應(yīng)值、較短的響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間和良好的可恢復(fù)性，其中，對(duì)n=30的復(fù)合薄膜，其靈敏度達(dá)到16，響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間分別為120/150 s。此外，與同濃度的一氧化碳、氫氣、甲烷、乙炔、二氧化氮、乙醇相比，復(fù)合薄膜對(duì)氨氣的選擇性很高。