納米ZnO基氣敏元件制備及在易燃、易爆物檢測中的應(yīng)用研究.pdf

1、近年來，納米ZnO基氣敏傳感器因其制作簡單、價(jià)格便宜和檢測方便而備受研究者的關(guān)注。制備新的氣敏材料、優(yōu)化傳感器技術(shù)和氣敏傳感器的人工智能應(yīng)用(電子鼻)將是氣敏傳感器的三個(gè)主要研究方向。隨著人類社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)所生存的環(huán)境質(zhì)量以及人身安全提出了更高的要求。本文正是圍繞這三個(gè)方面的要求，在以納米Zn粉為鋅源制備新的納米ZnO基氣敏材料、紫外光照提高傳感器的使用安全性和傳感器在揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)、易燃、易爆物的探測應(yīng)用等三個(gè)方面做

2、了一系列的研究工作。主要包括以下幾個(gè)方面： 采用蒸發(fā)－冷凝的方法制得平均粒徑為35nm的納米鋅粉，再用H2O2預(yù)氧化再熱氧化的兩步氧化法將納米鋅粉氧化成不同形態(tài)的納米ZnO。SEM和XRD分析表明，當(dāng)在預(yù)氧化階段Zn/H2O2為20mg/ml時(shí)，650℃熱氧化2h后納米鋅粉氧化成茂密針狀ZnO，當(dāng)Zn/H2O2為2mg/ml時(shí)，生成顆粒狀ZnO，處于中間濃度時(shí)，針狀結(jié)構(gòu)依次減少；預(yù)氧化微米鋅粉無論Zn/H2O2比例為多少，850

3、℃熱氧化8h后的產(chǎn)物都為栗狀ZnO。DSC－TG分析結(jié)果表明，納米鋅粉表面保護(hù)膜質(zhì)量占到顆粒質(zhì)量的50.4％時(shí)，熱處理階段氧化過程和熔化過程幾乎同時(shí)發(fā)生，生長的ZnO針狀產(chǎn)物最為茂密；對(duì)于微米鋅粉，H2O2預(yù)氧化處理對(duì)其熱行為及其最后形貌生長都影響不大，熱氧化階段是其控制階段。根據(jù)PBR金屬氧化生長理論和相關(guān)的分析結(jié)果建立了納米鋅粉和微米鋅粉的晶體生長模型，并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)鋅粉的氧化生長是按照氣－固（VS）機(jī)理進(jìn)行晶體生長的。氣敏性能測

4、試表明：由納米鋅粉制備的具有茂密針狀結(jié)構(gòu)的敏感材料對(duì)苯、甲苯、二甲苯具有最大的靈敏度，其在320℃處的靈敏度分別達(dá)到9.9、11.8、13；微米鋅粉由于其顆粒較大，氧化后導(dǎo)致氣敏涂覆層較厚，對(duì)所有測試氣體都顯示了敏感惰性。 考察了波長為365nm的紫外光照對(duì)純ZnO和摻雜TiO2和WO3的ZnO基氣敏元件在室溫下對(duì)乙醇?xì)怏w的氣敏性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各元件在室溫下對(duì)紫外光都很敏感，而沒有光照時(shí)對(duì)乙醇?xì)怏w不敏感，室溫下對(duì)乙醇?xì)怏w的敏感性

5、是建立在光照基礎(chǔ)之上的，并且各元件對(duì)乙醇?xì)怏w的響應(yīng)和回復(fù)時(shí)間都在8秒之內(nèi)。同時(shí)還研究了在光作用下不同加熱電壓對(duì)敏感元件氣敏性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著工作溫度的升高，光照對(duì)氣敏元件氣敏性能的影響逐漸減弱，紫外光照的使用能夠代替3V左右加熱電壓的使用，從而可以獲得只使用光照不用加熱的更加安全穩(wěn)定的敏感元件。 將自制納米ZnO及其摻雜Sb2O3、TiO2、V2O5、WO3的敏感元件應(yīng)用到硝酸銨(NH4NO3)、礦山炸藥(ME)、苦味酸(PA

6、)、2,6-二硝基甲苯(2,6-DNT)四種爆炸物的檢測。測試數(shù)據(jù)顯示，在這四種爆炸物中，只有2,6-DNT分解的指紋氣體顯示的是還原性信號(hào)，其他三種爆炸物顯示的都是氧化性信號(hào)。提取響應(yīng)曲線的基準(zhǔn)電阻和極值電壓為特征值，根據(jù)對(duì)不同爆炸物在多次測試中，傳感器的基準(zhǔn)電阻變化小和極值電壓變化大這兩條原則，結(jié)合硬件要求，優(yōu)選出了6個(gè)較好的元件。采用靜態(tài)實(shí)驗(yàn)考察了6個(gè)元件對(duì)四種爆炸物的檢測能力大小，結(jié)果表明：能夠檢測到四種爆炸物的濃度低至3.34

7、μg/L，隨著試樣濃度的增加，傳感器的靈敏度呈指數(shù)函數(shù)上升。為了實(shí)現(xiàn)傳感器陣列逼近實(shí)際應(yīng)用的設(shè)想，設(shè)計(jì)了完全動(dòng)態(tài)小劑量實(shí)驗(yàn)，動(dòng)態(tài)小劑量測試在1.7μg/L處信號(hào)已經(jīng)很弱。提取合適的參數(shù)為特征值，利用判別函數(shù)(DFA)分析方法能夠?qū)υ撍姆N爆炸物在83.4μg/L和15.3μg/L處進(jìn)行100％的分辨、識(shí)別，利用徑向基函數(shù)（RBF）方法也能夠?qū)λ姆N爆炸物在3.34μg/L進(jìn)行很好的分辨、識(shí)別，其錯(cuò)誤率僅為3.12％。 考察濕度對(duì)敏感