Zn和Sn氧化物基氣敏材料的制備及性能研究.pdf

1、近年來，伴隨經(jīng)濟與社會的快速發(fā)展，環(huán)境問題已經(jīng)成為人類面臨的重要難題之一。霧霾天氣頻發(fā)、臭氧層破壞、酸雨現(xiàn)象以及全球變暖等一系列環(huán)境問題在很大程度上與人們的生產(chǎn)和生活排放的有毒有害氣體有關，因此研究性能優(yōu)異的氣敏傳感器，對有毒有害氣體進行檢測和管理是十分重要的。氣敏材料是氣敏傳感器的重要組成部分，高性能氣敏材料是構(gòu)建性能優(yōu)異的氣敏傳感器的關鍵。前人的研究發(fā)現(xiàn)，材料的尺寸、形貌以及組成是影響氣敏材料性能的關鍵因素，通過材料尺寸和形貌控制，

2、并調(diào)節(jié)材料的組成以提高氣敏性能的研究已經(jīng)成為當今的一個熱點。
　　本論文通過組成、形貌調(diào)控，制備了系列半導體氧化物氣敏材料，并以其為載體負載貴金屬納米顆粒，充分發(fā)揮載體與貴金屬的協(xié)同作用，獲得了性能更加優(yōu)異的氣敏材料。通過氣敏性能測試，探討了氣敏性能與材料結(jié)構(gòu)之間關聯(lián)的科學本質(zhì)，并探索了材料的氣敏機理。論文主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　1.通過制備條件控制，對材料的顆粒尺寸和微觀形貌進行調(diào)節(jié)，制備了小尺寸ZnO納米顆粒和Sn

3、O2量子點。經(jīng)氣敏性能測試發(fā)現(xiàn)，ZnO顆粒尺寸減小可明顯提高其對NO2的氣敏響應，縮短響應恢復時間，并提高選擇性;SnO2量子點因其顆粒更加微小，對乙醇具有很高的氣敏響應，且響應和恢復時間均可縮短至1 s，可實現(xiàn)對乙醇的快速、靈敏檢測。
　　2.采用前驅(qū)體焙燒法分別制備了由ZnO納米顆粒有序組裝形成的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的管狀和蒲公英狀3-D多級結(jié)構(gòu)。多級結(jié)構(gòu)由ZnO納米顆粒組成的納米棒或納米片，再經(jīng)組裝形成蒲公英狀或管狀的開放結(jié)構(gòu)，并可通

4、過控制焙燒溫度調(diào)節(jié)納米顆粒的粒徑和孔分布。材料豐富的孔結(jié)構(gòu)以及開放式結(jié)構(gòu)利于氣體擴散并與材料發(fā)生相互作用，從而對乙醇具有很高的氣敏響應和較短的響應恢復時間。同時，由于蒲公英狀多級結(jié)構(gòu)ZnO的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)使其對乙醇的響應具有很好的重復性，對0～160 ppm乙醇的響應值與氣體濃度具有較好的線性關系，線性相關系數(shù)高達0.9992，可實現(xiàn)對乙醇的半定量檢測。
　　3.采用水熱法及后續(xù)焙燒處理制備了由3～6 nm的介孔納米片形成的SnO2多級

5、結(jié)構(gòu)微球，與片狀SnO2對比發(fā)現(xiàn)，多級結(jié)構(gòu)微球?qū)σ掖季哂懈叩臍饷繇憫透叩纳蠙z測限。分析發(fā)現(xiàn)，多級結(jié)構(gòu)SnO2中納米片垂直立于微球表面，開放式的結(jié)構(gòu)可促使乙醇與材料直接接觸，并為氣體吸附提供更多的活性位;同時，材料的介孔結(jié)構(gòu)可利于氣體在材料內(nèi)部擴散，使氣體與材料充分接觸。此外，組成SnO2多級結(jié)構(gòu)微球的納米片厚度較薄，可促進氧氣對材料電子的捕獲，從而提高了材料的氣敏性能。
　　4.基于Pd的不同晶面對氣體吸附及催化能力的不同，

6、制備了系列具有不同晶面特征的Pd納米顆粒，將其負載于ZnO納米棒，通過對H2的敏感性能測試，考察了不同晶面暴露的Pd對其修飾的ZnO的氣敏性能，結(jié)果顯示不同形貌的Pd對H2的吸附能力不同，進而影響其修飾的ZnO對H2的敏感性能。以(100)晶面暴露的立方體Pd修飾的ZnO對H2的響應值最高、響應時間最短，而恢復時間較長。
　　5.基于多組分貴金屬協(xié)同原理，制備了Pt與Au高度分散且比例接近1∶1的PtAu納米合金顆粒，將其負載于Z