本文關(guān)鍵詞：SnO_2基CO傳感器氣敏性和選擇性的基礎(chǔ)研究

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【摘要】：論文圍繞如何提高SnO2基材料對CO的選擇性而展開的,通過溶膠-凝膠法制備了SnO2基氣敏材料,用絲網(wǎng)印刷法制備了以氧化鋁陶瓷為基板的SnO2厚膜,采用SEM、XRD及電化學(xué)方法表征了SnO2基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與形貌及氣敏性能,最后制備出CO傳感器。主要內(nèi)容及創(chuàng)新表現(xiàn)在以下方面： 通過溶膠-凝膠法制備Pd負載及Fe摻雜SnO2復(fù)合材料,實驗發(fā)現(xiàn)Pd負載和Fe摻雜沒有改變SnO2的四方相結(jié)構(gòu),但隨著Fe摻雜量的增加,復(fù)合材料的結(jié)晶程度降低；當負載Pd和摻雜Fe量分別為0.2mol%和10m01%時,獲得對200-3000ppm CO具有最佳的響應(yīng)值、選擇性以及響應(yīng)特性的SnO2復(fù)合材料,同時揭示了在提高選擇性上主要是摻雜Fe的貢獻,負載Pd的作用是促進了摻雜Fe對CO的選擇性。進一步,對Au、Pt負載及In摻雜進行了研究,結(jié)果表明,Au負載和In摻雜均有利于提高對CO的選擇性,而Pt負載則有利于提高對H2的選擇性。 通過N2、N2+O2、N2+O2+H2氣氛中對SnO2材料傳感器的響應(yīng)值研究,獲得了氫氣和氧氣對電阻值的影響規(guī)律,確定了吸附氧主要通過控制晶界勢壘的方式而不是表面化學(xué)反應(yīng)對電阻的控制機理；進一步根據(jù)不同溫度下N2氣氛中材料對H2、CO響應(yīng)值研究發(fā)現(xiàn),無氧氣氛下表面化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物為羥基離子和碳酸根離子而不是有氧氣氛下的水和二氧化碳。 為定量CO氣體濃度,研究了氣體濃度與響應(yīng)值的關(guān)系(R=1+kCn),實驗結(jié)果表明,SnO2材料的焙燒溫度(600-800℃C)、改性方式(Pt負載和Fe摻雜)和檢測氣體種類對n值無影響,但是制備方法和工作溫度對n值影響較大。 最后,通過Pd、Fe和Pt對SnO2改性、對CO和H2的選擇性研究以及混合氣體檢測,依據(jù)兩種傳感器對混合氣體的響應(yīng)曲線,建立氣體濃度和響應(yīng)值的聯(lián)立方程,解析出混合氣體中CO和H2的濃度。經(jīng)實驗驗證,檢測誤差在5%以內(nèi),這解決了目前同類傳感器存在的最大問題,為兩種或多種相同性質(zhì)氣體測量提供了新思路。
【關(guān)鍵詞】：二氧化錫 一氧化碳 氣體傳感器 敏感機理 選擇性
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP212
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 1 引言11-13
• 2 文獻綜述13-41
• 2.1 SnO_2基本性質(zhì)及其制備方法13-15
• 2.1.1 SnO_2基本性質(zhì)13-14
• 2.1.2 SnO_2制備方法14-15
• 2.2 半導(dǎo)體氣敏材料的選擇性15-23
• 2.3 SnO_2敏感機理及摻雜作用23-26
• 2.3.1 SnO_2氣敏機理23-25
• 2.3.2 SnO_2的摻雜作用25-26
• 2.4 CO氣體傳感器簡介26-31
• 2.4.1 金屬氧化物半導(dǎo)體CO傳感器26-28
• 2.4.2 電化學(xué)電解液及固體電解質(zhì)CO傳感器28-30
• 2.4.3 電化學(xué)固體高分子型CO傳感器30-31
• 2.5 金屬氧化物半導(dǎo)體CO傳感器的研究歷程及進展31-41
• 2.5.1 發(fā)展歷程31-34
• 2.5.2 研究進展34-41
• 3 二氧化錫制備及其厚膜氣敏元件41-54
• 3.1 研究背景41
• 3.2 SnO_2材料的溶膠-凝膠法制備41-43
• 3.3 厚膜的制備與測試43-47
• 3.3.1 制備過程與測試系統(tǒng)44-45
• 3.3.2 厚膜材料與基板的熱膨脹性能45-47
• 3.4 多孔SnO_2厚膜傳感器的制備及其氣敏性能47-52
• 3.4.1 多孔厚膜的氣敏性能49-52
• 3.5 小結(jié)52-54
• 4 鐵、鈀改性二氧化錫的制備及其CO敏感性能54-64
• 4.1 研究背景54-55
• 4.2 實驗方法55-56
• 4.2.1 材料的制備55
• 4.2.2 材料的表征與氣敏測試55-56
• 4.3 實驗結(jié)果及討論56-63
• 4.3.1 材料的結(jié)構(gòu)與形貌56-58
• 4.3.2 材料的氣敏性能58-59
• 4.3.3 材料對CO的選擇性及機理分析59-63
• 4.4 小結(jié)63-64
• 5 貴金屬及氧化物改性二氧化錫對CO和H_2的選擇性研究64-76
• 5.1 研究背景64
• 5.2 實驗方法64-65
• 5.2.1 材料的制備64-65
• 5.2.2 材料的表征及測試65
• 5.3 實驗結(jié)果及討論65-75
• 5.3.1 材料的結(jié)果與形貌65-67
• 5.3.2 In、Au改性對SnO_2氣敏性能的影響67-70
• 5.3.3 Pt負載SnO_2對H_2的氣敏性能70-73
• 5.3.4 Pt負載SnO_2對低濃度H_2的檢測73-74
• 5.3.5 摻雜與負載改性對CO和H_2選擇性的影響74-75
• 5.4 小結(jié)75-76
• 6 二氧化錫的氣體敏感機理研究76-84
• 6.1 研究背景76
• 6.2 N_2背景氣氛下O_2和H_2對材料電阻的影響規(guī)律76-79
• 6.3 不同濃度N_2和O_2背景氣氛下SnO_2對H_2的氣敏性能79-83
• 6.4 小結(jié)83-84
• 7 二氧化錫對氣體響應(yīng)值與氣體濃度關(guān)系的定量研究84-99
• 7.1 研究背景84
• 7.2 實驗方法84-85
• 7.2.1 材料的制備84
• 7.2.2 傳感器的組裝與測試84-85
• 7.3 實驗結(jié)果及討論85-98
• 7.3.1 物相及形貌表征85-86
• 7.3.2 純SnO_2焙燒厚膜及工作溫度對氣敏性能及n值的影響86-88
• 7.3.3 Pt負載及Fe摻雜及制備方法對n值的影響88-89
• 7.3.4 氣體種類對n值的影響89-90
• 7.3.5 氣敏過程中CO和H_2間的關(guān)系90-92
• 7.3.6 Pt負載SnO_2及Pd、Fe改性SnO_2對CO和H_2的同時定量92-95
• 7.3.7 本研究CO傳感器與商品CO傳感器的氣敏性能對比95-98
• 7.4 小結(jié)98-99
• 8 結(jié)論99-101
• 參考文獻101-113
• 附錄A113-119
• 作者簡歷及在學(xué)研究成果119-123
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集123

【參考文獻】

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本文編號：516756