鐵酸鹽復(fù)合氧化物（MFe-,2-O-,4-）系列氣敏材料的制備及新型氣體傳感器的研究.pdf

1、本論文系統(tǒng)地研究了鐵酸鹽復(fù)合氧化物(MFe2O4)新型氣敏材料。采用反滴定化學(xué)共沉淀法制備出了NiFe2O4、MgFe2O4、CdFe2O4和Zn0.5Ni05Fe2O4納米粉末，對(duì)材料制備方法和工藝、材料結(jié)構(gòu)的表征、材料合成、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、材料的氣敏特性、氣敏機(jī)理等作了較系統(tǒng)的研究；對(duì)新型組合結(jié)構(gòu)氣體傳感器的原理進(jìn)行了研究，提出了材料選擇原則，制作出了幾種組合結(jié)構(gòu)氣體傳感器。 1、NiFe2O4、MgFe2O4、CdFe2O4和

2、Zn05Ni0.5Fe2O4納米材料的制備工藝、結(jié)構(gòu)表征及性能測(cè)試。 (1)采用反滴定化學(xué)共沉淀法制備出了NiFe2O4、MgFe2O4、CdFe2O4和Zn05Ni0.5Fe2O4納米材料，獲得了上述材料的最佳制備工藝。 (2)通過(guò)X射線衍射譜測(cè)定了粉末的晶粒粒徑。在不同熱處理溫度(350℃～700℃)下獲得的NiFe2O4晶粒粒徑為9～39nm；在500℃～700℃熱處理溫度下獲得的MgFe2O4晶粒粒徑為14～19

3、nm；在600℃熱處理溫度下獲得的CdFe2O4晶粒粒徑為80nm；在600℃熱處理溫度下獲得的Zn0.5Ni0.5Fe2O4的晶粒粒徑為50nm。用透射電子顯微鏡(TEM)測(cè)量得到的二次粒子的顆粒直徑為100nm左右。 (3)采用室溫固相合成方法合成了CdFe2O4粉末，與反滴定化學(xué)共沉淀法進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，反滴定化學(xué)共沉淀法，在熱處理溫度為700℃時(shí)可獲得單相的CdFe2O4；而室溫固相合成法，在該熱處理溫度下獲得的產(chǎn)物

4、不是單相的CdFe2O4，而是CdO、Fe2O3及CdFe2O4的混合物，且合成前驅(qū)物時(shí)，反應(yīng)激烈，反應(yīng)熱難以控制。 (4)研究了NiFe2O4、MgFe2O4的晶粒生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)。其生長(zhǎng)均遵從Arrhenius方程，2LnD與1/T滿足單一線性關(guān)系。通過(guò)計(jì)算，得出NiFe2O4在350～700℃之間晶粒生長(zhǎng)活化能為42.00kJ/mol；MgFe2O4材料在500～700℃范圍內(nèi)晶粒生長(zhǎng)的活化能為17.58kJ/mol。

5、(5)對(duì)NiFe2O4、MgFe2O4、CdFe2O4和Zn05Ni05Fe2O4納米粉末的氣敏特性進(jìn)行了測(cè)量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在一定的工作溫度下，NiFe2O4納米超細(xì)粉體對(duì)甲苯(C6H5CH3)敏感性高，MgFe2O4對(duì)丙酮(CH3COCH3)敏感性高，CdFe2O4對(duì)乙醇(C2H5OH)敏感性高，Zn05Ni0.5Fe2O4對(duì)乙醇(C2H5OH)和丙酮(CH3COCH3)敏感性高。此方面的研究未見報(bào)導(dǎo)。 2、鐵酸鹽(MFe2

6、O4)氣敏材料的敏感機(jī)理。 (1)測(cè)定了NiFe2O4材料對(duì)不同氣體的可逆吸附量與不可逆吸附量，并與以NiFe2O4為基體材料制作的氣敏元件對(duì)相應(yīng)氣體的靈敏度進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，靈敏度高的氣體，吸附量多，反之亦然。 (2)根據(jù)鐵酸鹽(MFe2O4)氣敏材料為化學(xué)計(jì)量比偏離的化合物，以及吸附特性和界面理論，提出了n-MFe2O4和p-MFe2O4半導(dǎo)體材料的氣敏機(jī)理模型。用該模型很好地解釋了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。有關(guān)NiFe2

7、O4的此方面研究至今未見報(bào)導(dǎo)。 3、對(duì)組合結(jié)構(gòu)氣敏元件的互補(bǔ)反饋和互補(bǔ)增強(qiáng)原理作了完善和補(bǔ)充，提出了n+p型和n+n型組合結(jié)構(gòu)的元件材料的選擇匹配原則，敏感體A和敏感體B必須滿足一定的條件，才能在實(shí)際中實(shí)現(xiàn)組合結(jié)構(gòu)氣敏元件的高性能。 4、利用組合結(jié)構(gòu)氣敏元件的互補(bǔ)反饋和互補(bǔ)增強(qiáng)原理，依據(jù)材料的選擇匹配原則，設(shè)計(jì)制作了下列組合結(jié)構(gòu)氣敏元件： (1)采用WO3和ZnO為主體材料，摻入多種摻雜劑，通過(guò)對(duì)O3氣敏特性影響

8、的研究，得到了對(duì)O3敏感的較佳配方。通過(guò)比較，篩選出ZnO(摻Nb2O5)作n型半導(dǎo)體敏感體，采用本文制備的NiFe2O4(摻In2O3、Pt)為p型半導(dǎo)體敏感體，設(shè)計(jì)制作了新型n+p組合結(jié)構(gòu)臭氧氣體傳感器，其性能比用WO3、ZnO或ZnO(摻Nb2O5)作單結(jié)構(gòu)臭氧氣體傳感器具有更高靈敏度和熱穩(wěn)定性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)ppb級(jí)臭氧的檢測(cè)。 (2)采用本文制備的CdFe2O4作n型半導(dǎo)體敏感材料，采用Co2O3(摻雜)材料作p型半導(dǎo)體敏感