NiO基納米復(fù)合材料缺陷和異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)調(diào)控及其室溫NO2氣敏機(jī)理研究.pdf

1、目前，空氣污染給人們的健康帶來極大的危害。NO2氣體作為一種主要的空氣污染物，嚴(yán)重危害著人類的健康。此外，對患者呼出氣中NO2氣體濃度的有效檢測可以對哮喘病進(jìn)行診斷。因此，研發(fā)一個極限檢測濃度低、敏感度高、恢復(fù)速率快且低能耗的NO2氣體傳感器是非常有必要的。金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）材料由于高穩(wěn)定性、低成本及使用方便等特點，被廣泛地用于各種有毒有害氣體的檢測。NiO作為一種典型的p型金屬氧化物半導(dǎo)體，NO2分子與其表面有很強的吸附作用，

2、會引起NiO電子結(jié)構(gòu)的顯著改變，因而NiO常用來檢測NO2氣體。然而，單一NiO在室溫條件下檢測 NO2氣體時，不能同時滿足敏感度、恢復(fù)速率、選擇性等要求，需要對其改性或復(fù)合來提高其氣敏性能。因此，本文通過有效調(diào)控NiO基納米復(fù)合材料的缺陷和界面，提高其對NO2室溫氣敏性能（響應(yīng)值、恢復(fù)速率等），建立缺陷（晶界、Ni離子空位）、異質(zhì)界面與氣敏性能之間的構(gòu)效關(guān)系，揭示其室溫氣敏機(jī)理。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴采用水熱法制備出介孔單

3、晶NiO和納米顆粒組裝成的多晶NiO，并比較其室溫NO2氣敏性能。研究發(fā)現(xiàn)，單晶NiO對30 ppm NO2響應(yīng)值（1.13）是多晶NiO（0.55）的2倍。依據(jù)晶界散射理論，NO2分子吸附產(chǎn)生的表面態(tài)在多晶 NiO晶界處發(fā)生散射，提高了散射勢壘，降低其載流子遷移率；而單晶NiO納米片中不存在晶界，NO2化學(xué)吸附引起的載流子散射對其遷移率影響可忽略，使單晶 NiO的室溫氣敏性能優(yōu)于多晶NiO。⑵基于介孔單晶NiO納米片，采用不同煅燒溫度

4、（400~600℃），制備出了Ni離子空位濃度可控的NiO納米片。結(jié)果表明隨著煅燒溫度增加，NiO納米片對NO2室溫響應(yīng)值也隨之增加，在500oC時對30 ppm NO2的響應(yīng)值達(dá)到1.72，隨后略有下降。EPR、XPS等分析發(fā)現(xiàn)Ni離子空位濃度隨著煅燒溫度升高不斷增加?；谠患t外光譜，發(fā)現(xiàn)Ni離子空位作為一種主要的活性吸附位參與氣固反應(yīng)。在室溫Ni空位離化平衡常數(shù)一定的前提下，Ni離子空位含量越多，由 NO2分子在 Ni離子空位吸附

5、引起的NiO電導(dǎo)率升高越顯著，氣敏響應(yīng)值越大。⑶引入n型SnO2與p型NiO自組裝的p-n異質(zhì)結(jié)NiO-SnO2納米復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，當(dāng)SnO2與NiO的摩爾比例為1:1時，復(fù)合材料室溫氣敏性能最佳，對30 ppm NO2的響應(yīng)值是6.41，比單晶NiO納米片（1.17）提高了5.5倍。XPS、HRTEM表征證實了納米復(fù)合材料中異質(zhì)結(jié)及界面鍵的存在，發(fā)現(xiàn)了界面鍵的數(shù)量與氣敏響應(yīng)值成正比。此外，還發(fā)現(xiàn) NO2分子吸附引起異質(zhì)結(jié)納米復(fù)

6、合物的接觸電勢升高，導(dǎo)致載流子遷移率增加，也有利于復(fù)合材料響應(yīng)值提高。⑷利用石墨烯高電子遷移率，采用水熱方法制備出 NiO與還原氧化石墨烯（rGO）組成的納米復(fù)合物。實驗結(jié)果表明，與NiO納米片相比，rGO-NiO納米復(fù)合材料對30 ppm NO2的恢復(fù)時間從3300 s縮短至1330 s。復(fù)合物恢復(fù)速率的提高歸結(jié)于rGO高電子遷移率及界面處有效電子轉(zhuǎn)移。⑸在NiO-rGO納米復(fù)合物基礎(chǔ)上，引入了n型SnO2與其形成三相NiO-SnO2