水热合成氧化锌纳米结构的气体传感应用

发布时间：2018-01-11 18:22

本文关键词：水热合成氧化锌纳米结构的气体传感应用　出处：《重庆大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：与其他同等地位的技术相比,纳米技术在物理、化学、光学和催化性方面有优异的性能,因此它的研究已经变得越来越流行。在Ⅱ-Ⅳ半导体材料中,Zn O在室温下有着较宽的禁带宽度3.7 e V,及较大的激子激发能60 me V,是一种优异的n型的半导体。由于其在诸如高热导率、高电子迁移率、高透明度和易于加工制造成各种各样的纳米结构等方面的独特性能,Zn O纳米结构已经引起了很多研究者的注意。在气敏应用方面,Zn O因其对多种氧化还原气体有高灵敏性,费用低,且易于加工制造和小型化等方面的特点,它已经被关注很久了。尤其应该指出的是,Zn O在气敏传感器的应用中,表现出潜在的材料开发可能性。这是因为,由尽可能多的小尺寸纳米块,可以组成孪晶,多层和堆积的微米或纳米结构。另一方面,Zn O沿镜面对称的纳米结构的二次生长,已经被怀疑能调制Zn O表面的负荷状态,从而很大程度上改变它的功能。在这篇专题论文中,我们将讨论一种轻易可得的,由简便的水热法制备而来,可调整的Zn O,它有多种多样的六角形的,孪晶的,多层盘状结构。这种Zn O的形貌,结构,光学和电学性能用XRD,SEM,HRTEM,气敏测试和UV光谱来表征。纳米结构的形成受表面活性剂浓度,工作温度,封端剂和反应体系中的电荷变换的作用影响。另外,晶体的结构,形貌,生长机制是复杂的。并且他们的气敏灵敏度和反应恢复时间,稳定性和选择性进行了测试。总结如下六角的Zn O纳米盘结构由简单的,易控的水热法,使用两种表面活性剂制备而来。当加入相同量的十二烷基硫酸钠和溴化十六烷三甲胺(CTAB)时,由于氮化反离子和氢氧根离子的代替作用,Zn O会沿着水平方线向上生长。由于具有较大的表面积,这些纳米结构显示出很好的气敏性。用这些盘状的纳米结构制成气敏传感器,并用还原性气体对其进行了气敏测试。对甲醛的灵敏度为81.6和43.2,响应恢复时间5.7 s和9.1 s。这是在温度为300 oC和浓度为150 ppm条件下的测试结果。在这六角Zn O纳米盘结构的基础上,制成了一种晶面对称的六角纳米盘。这种孪晶纳米结构是通过合成独立的阴阳离子活性剂得到。在最后的溶液中,两种表面活性剂被用来合成孪晶的纳米盘,在钙化时间为12和24 h时,其厚度分别约为200,750 nm。加入作为静电粘合剂的硫酸钠,粘合出晶面对称的结构。而NO32-和溴离子,为盘状的纳米结构提供基本的微胞。我们已经用一种低温的水热法成功的制备了纳米棒嵌入的Zn O纳米盘,这些纳米棒均长为300-700 nm。二次嵌入的纳米棒成功的沿着[0001]面生长在纳米盘的表面。对于纳米棒的嵌入。Zn O纳米盘是作为基础结构,由十二烷基硫酸钠溶液合成而得。尿素用作二次前驱,而且导致在[0001]极面的二次成核。二次纳米结构的气敏性也对不同浓度的多种气体中进行了测试。在200 oC下,二次纳米结构对甲醛、乙醇、甲醇、丙酮、和氨气的最大的灵敏度分别为24.7,17.8,8.5,7.4,和6.3。由于离解能的作用,这种传感器对甲醛表现出显著地选择性和灵敏性。故这些嵌入的Zn O纳米棒气敏传感器对甲醛的选择性和灵敏度优于其他气体。在温度为200℃和气体浓度为150 ppm时,所有气体的灵敏度都达到最高。我们已经成功的报道了Zn O六角纳米圆锥体的制备。这种制备需要用双离子表面活性剂。XRD结果显示,这种Zn O纳米结构为纤维矿锌Zn O。并且FESEM结果表明,其平均长度和直径分别为1.3μm和1.2μm。HRTEM结果则表明,此结构主要沿着(0001)(00-11)极面生长。此结构转变成纳米圆锥体是由于PVP的阴离子特性。在温度为275 oC,这种Zn O纳米圆锥体暴露在浓度50 ppm到350ppm下,传感器展示出灵敏度12.5和最快的响应恢复时间8s,9s。在SDS和PVP的参与下,用可控的水热法,我们已经有效的制备了多层Zn O环状纳米盘。SDS的加入为镜面结构提供静电捆绑,而PVP在多层圆形纳米盘中再生成反面的微胞微乳剂。多层纳米盘的气敏性也用甲醛在300 oC下从5ppm到1200 ppm浓度下气敏灵敏度分别为15.2,28.5,39.8,70.6,82.7。而反应和恢复时间分别为5s和7s。另外,实验发现,该结构对甲醛的灵敏度较高。这一发现,使得这种多层纳米结构的传感器适合用于检测甲醛。通过改变水热反应的时间,实验已经成功的实现从Zn O六角针状棒到六角花状棒的形貌转变。FESEM结果表明,针状棒的平均长度和直径分别为3.4-3.8μm,和350-400 nm。花状棒的平均长度约为100nm,直径分700-850 nm。我们发现提供OH-的HTM和MEA在针状棒到纳米花的聚集过程中,起着至关重要的作用。通过UV分光镜获取的吸收谱表明,光学带隙能为3.317e V和3.323 e V。而气敏测试结果表明,在浓度为50 ppm和温度为350 oC时,纳米花制成的传感器对乙醇气体和NO2气体灵敏度分别为45.7和33.6。虽,在温度为350℃和浓度为50 ppm条件下,虽然这种传感器对NO2的灵敏度低于乙醇,但其对NO2响应恢复时间最短,对NO2的响应恢复时间为6s和12s,而对乙醇的响应恢复时间为10s和7s。
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【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ132.41;TB383.1

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