丙酮探測氣敏傳感器不僅在化工安全生產(chǎn)起著重要作用,而且可以測試人體呼出的丙酮含量,對高血糖患者進(jìn)行篩查和無痛監(jiān)測管理。此外,還可應(yīng)用于食品工業(yè)發(fā)酵控制。所以研究開發(fā)靈敏度高、選擇性好、響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間短、工作溫度低、長期穩(wěn)定性高的丙酮傳感器具有十分重要的意義。氣敏材料是影響氣體傳感器性能的關(guān)鍵因素之一,因此本論文以廉價(jià)的原材料,簡易的合成方法為前提,通過結(jié)構(gòu)改變、摻雜、復(fù)合等手段制備性能優(yōu)異的丙酮?dú)饷魝鞲胁牧蠟槟繕?biāo),系統(tǒng)的分析材料氣敏機(jī)理,為納米鐵基氧化物氣敏材料的進(jìn)一步應(yīng)用與發(fā)展提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)及理論依據(jù)。本論文首先制備零維α-Fe_2O_3納米粒子、一維α-Fe_2O_3納米棒、二維α-Fe_2O_3納米片。α-Fe_2O_3納米粒子尺寸越小比表面越高、吸附活性越大,靈敏度也越高;一維α-Fe_2O_3納米棒提高了對丙酮?dú)怏w的選擇性;二維α-Fe_2O_3納米片屬于α-Fe_2O_3粒子的組裝體,互相以“篩式”方式搭接,有效降低了團(tuán)聚,對目標(biāo)氣體丙酮的響應(yīng)值均有提升。為進(jìn)一步提高α-Fe_2O_3氣敏特性,采用靜電紡絲制備α-Fe_2O_3納米線,合成的α-Fe_2O_3納米線是集成粒子組裝、一維線型、三維孔隙等復(fù)合結(jié)構(gòu)體,具有較高的比表面積及孔隙率,展現(xiàn)出較快的響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間及較高的丙酮敏感特性。為提高納米α-Fe_2O_3靈敏度,降低以α-Fe_2O_3為主體材料對丙酮?dú)怏w的檢測下限,對其進(jìn)行Ag摻雜改性,原子比6%的貴金屬Ag摻雜α-Fe_2O_3表現(xiàn)出最佳的氣敏特征。為降低摻雜改性氣敏材料成本,合成6%Mn、6%Co、6%Zn三種過渡金屬摻雜α-Fe_2O_3氣敏材料,研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),摻雜均提高了氧缺陷、降低了晶粒尺寸、提高了比表面積,對丙酮?dú)怏w具有優(yōu)異的氣敏特性。為提高鐵基納米氧化物的長期穩(wěn)定性,制備兩種雙金屬鐵基納米氧化物(ZnFe_2O_4和NiFe_2O_4),并對這兩種材料展開摻雜改性研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,摻雜均對兩種材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,如晶格的變化、氧空位的變化、介孔分布的變化等,從而影響其表面吸附能及活化點(diǎn)位,制備的氣敏元件靈敏度和穩(wěn)定性均得到相應(yīng)的提高。為降低工作溫度,合成石墨烯/ZnFe_2O_4和碳納米管/ZnFe_2O_4兩種復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn),在材料復(fù)合過程中,由于界面的影響,ZnFe_2O_4粒子尺寸進(jìn)一步降低,石墨烯或碳納米管兩種材料在單一應(yīng)用過程中易團(tuán)聚的特點(diǎn)得到改善,測試丙酮?dú)怏w的最佳工作溫度降低至180℃,并且有效降低乙醇?xì)怏w的干擾,從而提高了其選擇性;碳納米管/ZnFe_2O_4復(fù)合材料從結(jié)構(gòu)上與靜電紡絲的線形結(jié)構(gòu)相似,對比石墨烯/ZnFe_2O_4大尺寸的片層結(jié)構(gòu),線形碳納米管/ZnFe_2O_4復(fù)合氣敏材料互相堆疊形成豐富的三維孔隙,在制備生成器件過程中,低溫?zé)Y(jié)留下豐富的透氣孔,所以具有更快的響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間及更高的丙酮敏感性能。
【學(xué)位單位】：哈爾濱理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TB34;TP212
【部分圖文】：

第 1 章 緒論要的鐵氧體，分別屬于 n 型及 p 型半導(dǎo)體，由于鐵氧體內(nèi)部利于氣敏性能的缺陷，因而兩者均具有良好的氣體敏感性能基納米氧化物氣敏材料研究現(xiàn)狀）α-Fe2O3氣敏材料研究現(xiàn)狀e2O3又稱為赤鐵礦，它屬于六方晶系呈現(xiàn)典型的六方密堆積為 2.2 eV[31]。圖 1-1 為 α-Fe2O3結(jié)構(gòu)圖，體系中六個(gè)氧原子。由于 α-Fe2O3合成方法簡單方便，外觀形貌易于控制，材有良好的氣敏性能，已經(jīng)成為當(dāng)下研究熱點(diǎn)。

第 2 章 實(shí)驗(yàn)與研究方法2.3 氣敏元件制備與測試方法2.3.1 氣敏元件制備選用一定量本文合成的樣品粉末放入研缽中，充分研磨后加入無水乙醇進(jìn)行超聲分散，超聲分散好的液體通過離心機(jī)進(jìn)行固液分離，得到的沉淀物進(jìn)行真空干燥，等固體與液體比例約為 1:1 時(shí)停止干燥，得到糊狀物，用刷子反復(fù)涂覆在氧化鋁陶瓷管壁（長 4 mm，外徑為 1.2 mm，內(nèi)徑為 0.8 mm）使之充分地覆蓋整個(gè)陶瓷管壁。將涂覆好樣品的陶瓷管置于冷凍干燥機(jī)內(nèi)凍干。然后按圖 2-1 方式制備氣敏器件，并在 200 ℃下進(jìn)行老化，時(shí)間為 3 天測試時(shí)通過調(diào)節(jié)電壓大小，來調(diào)節(jié)控制傳感器件的工作溫度。

哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文（2）微觀形貌與結(jié)構(gòu)分析α-Fe2O3NP1樣品是 0.01 mol/L CTAB 表面分散劑條件下，采用磁力方式，得到 α-Fe2O3表面形貌如圖 3-2(a)，粒子直徑 200 nm 左右；α-FNP2樣品是 0.01 mol/L SPan80 表面分散劑條件下，采用磁力攪拌方式，α-Fe2O3表面形貌如圖 3-2(b)，粒子尺寸有所變小，約為 150 nm，由此不同表面活性劑對粒子尺寸產(chǎn)生一定的影響，但可能由于分散不足，顆互相融合，有類紡錘型的粒子形成；α-Fe2O3NP3樣品是 0.01 mol/L SP表面分散劑條件下超聲分散（20 kHz，300 W），得到 α-Fe2O3表面形圖 3-2(c)，可見超聲波分散對 α-Fe2O3尺寸變化起著重要的影響作用，樣實(shí)驗(yàn)條件下（0.01 mol/L SPan80 表面分散劑），α-Fe2O3粒子尺寸變大，尺寸減少到 100 nm 左右；α-Fe2O3NP4樣品是進(jìn)一步加大超聲波功1000 W，α-Fe2O3粒子尺寸進(jìn)一步減小，并且變的更加均勻，約為 20 n右，如圖 3-2(d)。

本文編號：2836031