發(fā)布時(shí)間：2020-09-09 13:17

　　 金屬氧化物半導(dǎo)體材料由于其體積小、制作成本低和性能良好等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中,尤其是氣體傳感器方面。作為實(shí)現(xiàn)氣體傳感功能的核心部分,進(jìn)一步開發(fā)與研究新型金屬氧化物氣敏材料對氣體傳感器的發(fā)展具有極其重要的意義。目前為止,大多數(shù)具有優(yōu)越氣敏性能的金屬氧化物材料仍存在制備工藝復(fù)雜、原料昂貴和能耗大等問題,這就需要我們對合成技術(shù)進(jìn)行不斷的改進(jìn)和優(yōu)化,克服以上問題。本文主要通過水溶液生長法,以水作為唯一溶劑,將綠色環(huán)保作為宗旨,設(shè)計(jì)出具有特殊微觀形貌的三種金屬氧化物材料:Co_3O_4、In_2O_3和MnO_2,對其進(jìn)行氣敏性能研究,并取得了令人滿意的結(jié)果。從而實(shí)現(xiàn)了材料制備的高效化與優(yōu)異性能相結(jié)合。具體主要研究內(nèi)容如下:(1)利用化學(xué)水浴沉積,在90℃下能在玻璃基底上沉積得到關(guān)于鈷的前驅(qū)體,將前驅(qū)體熱處理后得到具有納米花狀結(jié)構(gòu)的Co_3O_4材料,晶粒大小約為12 nm。通過改變鈷鹽種類和水浴加熱時(shí)間,會導(dǎo)致Co_3O_4產(chǎn)物的微觀形貌、孔徑大小和氣敏性能產(chǎn)生差異。氣敏測試結(jié)果表明,以醋酸鈷作為鈷源,水浴加熱9h條件下所制得的Co_3O_4氣敏材料對乙醇?xì)怏w擁有最高的響應(yīng)值,為1185%(200℃@100 ppm),并擁有良好的響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間和穩(wěn)定性能。(2)首先通過靜電紡絲法制備并改性后得到帶有-OH的偕胺肟化PAN納米纖維膜,然后以該納米纖維膜作為反應(yīng)基底,利用化學(xué)水浴沉積在纖維膜上得到關(guān)于鈷的前驅(qū)體產(chǎn)物并進(jìn)行熱處理,得到具有雙層形貌結(jié)構(gòu)的Co_3O_4材料:上層為眾多納米花堆疊而成的珊瑚狀結(jié)構(gòu),下層由中空納米纖維網(wǎng)和分散的納米花連接而成。XRD、XPS和EDS結(jié)果表明,有機(jī)物在熱處理后被完全碳化,最終產(chǎn)物為純凈的Co_3O_4。氣敏測試結(jié)果表明,在熱處理500℃下制得的Co_3O_4材料具有更好的氣敏性能,對于乙醇的響應(yīng)值能達(dá)到1088%(230℃@100 ppm),且具有極好的響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間和穩(wěn)定性。(3)以硝酸銦作為原材料,利用化學(xué)水浴沉積直接獲得關(guān)于銦的前驅(qū)體粉末,經(jīng)熱處理后得到方塊狀I(lǐng)n_2O_3材料。該材料擁有較大的比表面積和理想的介孔結(jié)構(gòu),從而有助有材料的氣敏性能的提升,在60℃工作溫度下對NO_2氣體的響應(yīng)值達(dá)到384(10 ppm),即使在超低濃度下(500 ppb),也有不俗的響應(yīng)效果。(4)利用水熱法大規(guī)模制備出α型的MnO_2納米棒材料,制得的納米棒生長良好、形貌均一,納米棒的直徑在50-60 nm范圍內(nèi),長度為0.5-1.5μm。氣敏測試結(jié)果顯示,發(fā)現(xiàn)該材料對比于傳統(tǒng)MnO_2材料對乙醇?xì)怏w有較好的傳感效果,響應(yīng)值能達(dá)到1.53(200℃@100 ppm)。并且具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。這三種材料的成功制備填補(bǔ)了水溶液生長法制備金屬氧化物應(yīng)用于氣體傳感器的空缺,為日后的研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O611.62
【部分圖文】：

圖 1.1 電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器： (a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)典型響應(yīng)曲線在眾多半導(dǎo)體材料中，金屬氧化物為最常用的氣敏材料。根據(jù)載流子類型，可屬氧化物半導(dǎo)體材料分為 p 型和 n 型兩種，常見的 p 型半導(dǎo)體材料有：Co3O、MnO2、NiO 和 Cr2O3等；n 型材料有：ZnO、In2O3、TiO2、WO3和 SnO2等。隨著技術(shù)的發(fā)展，還合成出了不同元素組成的單相金屬氧化物材料；如nO4[6]和 BiFeO3[7]；還有把不同相的兩種金屬氧化物進(jìn)行復(fù)合，如：NiO/ZnO[8少量的貴金屬到金屬氧化物中，如 Pd/ZnO[9]。其最終目的都是為了增強(qiáng)材料的能。相比于 p 型氣敏材料，n 型氣敏材料由于具有較好的氣敏性能被研究得更多，特nO[10, 11]和 SnO2[12, 13]這兩種半導(dǎo)體材料。因此，p 型氣敏材料仍存有很大的發(fā)展需要我們不斷深入探究。雖然金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器已被大家所接受并廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中，

幾種金屬氧化物的水溶液生長法制備及其氣敏性能研究材料表面，使其氣敏性能更加優(yōu)越。Franke[14]等人研究證明了氣體傳感器的傳感效果隨納米顆粒尺寸的減小而增強(qiáng)，尤其當(dāng)顆粒尺寸小于兩倍的德拜長度時(shí)，氣體傳感器的靈敏度會有明顯的提高。而比表面積的大小取決于材料本身的微觀結(jié)構(gòu)。目前大量的研究人員正致力于合成出具有特殊形貌的氣敏材料，尤其是利用自組裝合成得到具有低維結(jié)構(gòu)的納米級氣敏材料。把它們投入到氣體傳感的應(yīng)用上，都取得了非常好的效果[15-19]。Qu[18]等人利用金屬-有機(jī)物作為模板 (MOFs，metal-Organic framework) 制備出中空核-殼納米籠結(jié)構(gòu)(hollow core-shell nanocages)。材料為 ZnO 與 ZnCoO4的復(fù)合物，該材料的比表面積達(dá)到 113.2 m2/g，能對有害氣體二甲苯進(jìn)行檢測，響應(yīng)值達(dá)到 35(320 ℃@100 ppm)。圖 1.2(a)、(b)和(c)為該材料的 SEM 和 TEM 圖像。

圖 1.3 SnO2@rGO 材料： (a)和(b) TEM 圖像；(c)不同種類氣體的響應(yīng)情況圖 1.4 十二面體 Co3O4多孔納米材料：(a) SEM 圖像；(b) (c) TEM 圖像大量參考文獻(xiàn)表明，對于氣敏材料的設(shè)計(jì)，需要同時(shí)關(guān)注材料的比表面積和材料內(nèi)部顆粒間的堆積情況，使它們相互協(xié)同，進(jìn)而達(dá)到提高氣敏性能的目的。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 張寶宏,張娜;納米MnO_2超級電容器的研究[J];物理化學(xué)學(xué)報(bào);2003年03期

本文編號：2815020