發(fā)布時間：2020-08-13 13:25

【摘要】：金屬氧化物氣敏材料具有靈敏高、成本低和使用壽命長等優(yōu)點,廣泛應用于生產(chǎn)和生活相關的各個領域。其中,以CuO、ZnO、Fe_2O_3、Co_3O_4和NiO為代表的金屬氧化物常被用作氣敏材料來構造氣體傳感器�，F(xiàn)階段,在氣敏材料研究領域,需要一種具有高普適性的合成方法和性能提升手段,來給高性能氣敏材料的制備提供方向。本文結(jié)合國內(nèi)外氣敏材料的研究現(xiàn)狀,認為通過構建分級多孔結(jié)構能夠最大限度地發(fā)揮材料自身結(jié)構的優(yōu)勢,同時水熱法負載貴金屬也能進一步提升對有機毒性氣體的探測能力�；诖�,本文采用水熱法制備出具有分級結(jié)構的堿式碳酸鹽、氫氧化物和水合物,通過高溫煅燒構造出具有分級多孔結(jié)構的金屬氧化物。同時,采用水熱法進行貴金屬負載,并對負載前后的各項氣敏性能指標進行測試。系統(tǒng)地研究了分級多孔結(jié)構、負載貴金屬類型、貴金屬負載方法、前驅(qū)體類型等對金屬氧化物材料氣敏性能的影響,探討了氧化物負載前后的氣敏機理。主要研究工作如下:(1)采用水熱和煅燒相結(jié)合的方法制備出了具有分級多孔結(jié)構的CuO,并對CuO進行了Au負載。研究了CuO和CuO/Au的成分、結(jié)構、形貌和多孔特征,對材料各項氣體探測指標進行測試。測試結(jié)果顯示,分級結(jié)構能有效提升材料的比表面積,多孔結(jié)構提供了更多的氣體通道,有利于待測氣體的傳輸和接觸。實驗表明,貴金屬負載材料能夠極大地提升對有機毒性氣體的靈敏度,降低響應恢復時間;(2)采用水熱和煅燒結(jié)合的方法制備出了由多孔納米片組成的ZnO花狀結(jié)構,并利用水熱法和光照浸漬法制備出負載了Au和Pt的復合材料。熱重分析結(jié)果證明,多孔結(jié)構源自于前驅(qū)體的受熱分解。經(jīng)氣敏性能測試,由于水熱法為負載反應提供了恒定的高溫和適當?shù)母邏?因此采用水熱法負載的復合材料在各項氣敏性能指標上表現(xiàn)更好;ZnO/Au復合材料比ZnO/Pt復合材料具有更好的有機毒性氣體探測能力;(3)采用水熱和煅燒結(jié)合的方法制備了形貌不同、比表面積相似的三種鐵系金屬氧化物Fe_2O_3、Co_3O_4和NiO。熱重結(jié)果表明,不同的前驅(qū)體類型帶來了不同的平均孔徑。其中由于Co_3O_4的前驅(qū)體是堿式碳酸鈷,受熱質(zhì)量損失最多,因而孔徑最大。氣敏測試結(jié)果表明,三種鐵系金屬氧化對常見有機毒性氣體均有明顯響應,而Co_3O_4表現(xiàn)最好。這種具有獨特結(jié)構的金屬氧化物能夠抵御濕度和光照的干擾,具備連續(xù)檢測的能力;(4)比較了貴金屬負載前后材料的氣敏機理。貴金屬復合材料能夠加劇材料表面與待測氣體的物理化學反應,加速了材料內(nèi)部電子的轉(zhuǎn)移。貴金屬粒子作為反應活化中心,降低了氣敏反應所需能量,進而表現(xiàn)出對有機毒性氣體更為優(yōu)異的探測性能。
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB34;X701
【圖文】：

1.1 （a）接觸燃燒式氣體傳感器；（b）電化學式氣體傳感器；（c）紅外氣體分析儀（d）金屬氧化物半導體氣體傳感器ig.1.1 （a）Contact combustion type gas sensor（;b）Electrochemical type gas sensor（;c）Infratype gas analyzer;（d）Metal oxide semiconductor gas sensor.2 氣體傳感器概述在國家相關標準中對傳感器有著明確的定義，傳感器是能感受被規(guī)定元素照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置[34]。因此，氣體傳感器便可據(jù)這個定義，理解為是一種用來探測特定氣體濃度和成分的一種測量裝置。在實際應用過程中會有不同的分類方法，但是不論其檢測機理是基于物理反是化學反應，只要該裝置能夠?qū)Νh(huán)境氣氛的變化加以識別，均可以認為是氣感器。

圖 1.2 氣體傳感器的分類Fig.1.2 The classification of gas sensors電化學式氣體傳感器以氣敏電極或氣體擴散電極為核心測試部件，其測試是空氣中一些具有可溶性的氣體如 SO2、CO2、HCl 等，當接觸到由固體電構造的電極材料時會發(fā)生電化學反應。而這種變化就會引起測試電路中電信改變[35-37]。但是這種氣體傳感器常需通過高溫加熱來提高電極材料的電導此必須配備加熱裝置。接觸燃燒式氣體傳感器能夠?qū)扇細怏w進行探測，在類型上包括直接接觸催化接觸式[38-39]。它的測試原理主要是由于氣敏材料在有電流通過時，可燃會在催化劑的作用下發(fā)生燃燒，而燃燒放出的熱量會使金屬絲升溫，進而引阻改變，這種加熱絲阻值的變化就可以通過計算得出環(huán)境中氣體成分的改種氣體傳感器的最大優(yōu)勢就在于對 CO、CH4等氣體具有高選擇性，不會由

（a）厚膜型半導體氣體傳感器；（b）薄膜型半導體氣體傳感器；（c）直熱型半導體氣體傳感器；（d）旁熱式燒結(jié)型半導體氣體傳感器 （a）Thick film type semiconductor gas sensor;（b）Thin film type semicondc）Directly heated sintered type semiconductor gas sensor;（d）Side heated sinsemiconductor gas sensor氣敏元件測試系統(tǒng)的構造驗室中對有機毒性氣體的檢測均是在靜態(tài)條件下完成的，主要通過系統(tǒng)來加以實現(xiàn)。一般地，氣敏元件測試系統(tǒng)主要由氣敏元件測試測試卡、負載卡、配氣箱、蒸發(fā)臺、風機、微量進樣器、進樣閥門腦等幾個部分組成。在測試前，首先根據(jù)待測氣體濃度、配氣箱體公式計算出各有機毒性氣體水溶液所需的對應體積，并提前 10 s

【參考文獻】

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本文編號：2792058