纳米结构氧化铟及其复合材料的水热合成与气敏性能研究

发布时间：2020-03-22 21:06

【摘要】：气敏传感器是一种检测、监控各种有毒有害、易燃易爆等气体的器件,在大气环境监测和治理、智能家居、公共安全、化学生产与仓储以及反恐/军事安全等领域有非常广泛的应用。其中,金属氧化物半导体气体传感器作为应用最多的一种传感器,与其他传感器相比具有灵敏度高、轻便易于携带、稳定性好以及生产成本低等优点。在众多的金属氧化物中,In_2O_3作为一种新型的n型半导体金属氧化物,具有较宽的禁带宽度,因其独特的物理和化学性质而受到广泛的关注,在气体传感器的应用中具有优异的性能。但单一组分In_2O_3仍具有一些不足之处,如灵敏度较低、工作温度较高等,限制了它的发展。近年来,研究表明通过使In_2O_3与其他金属氧化物或贵金属复合形成异质结有助于改善其气敏性能。本论文主要通过水热法制备了不同形貌的纳米结构In_2O_3,并以得到的In_2O_3为主体材料,使其与贵金属、其他金属氧化物以及rGO复合,得到纳米复合材料并测试其气敏性能。本论文的主要研究内容如下:1.采用水热法制备了不同纳米结构的氧化铟气敏材料。通过使用不同胺类以及调整水热时间和温度制备出了几种纳米结构氧化铟气敏材料。利用X射线衍射分析(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)分析、孔结构分析(BET)和透射电子显微镜(TEM)分析等手段进行表征对得到的材料进行一系列的表征,并且利用WS-30A气敏测试系统对得到的材料进行气敏性能检测。2.在氧化铟纳米立方体表面负载贵金属,制备Au@In_2O_3纳米复合材料。对得到的材料进行一系列的表征及气敏性能测试。结果表明,制备出的氧化铟立方体的尺寸为150-200 nm,且大小均匀,表面负载的金颗粒尺寸为15 nm左右。该纳米复合材料对甲醛具有良好的选择性,与纯In_2O_3纳米立方体相比,不仅灵敏度大大提高,其最佳工作温度也降低了40oC。由于贵金属特有的催化性能,促进了材料气敏性能的提高。3.采用水热法成功合成了Fe_2O_3/In_2O_3 N-N异质结纳米复合材料。对得到的复合材料做了微观结构的表征与分析。结果表明,制备出的氧化铁为棒状,其均匀的生长在氧化铟微球上,制备出的Fe_2O_3/In_2O_3复合材料的尺寸为2-3μm,其中氧化铟微球的尺寸为200-300 nm,氧化铁棒的直径为10-15 nm。气敏检测结果显示得到的纳米复合材料的灵敏度相比于纯In_2O_3提高了7倍,其对丙酮具有良好的选择性。4.制备出了NiO/In_2O_3 P-N异质结纳米复合材料。并对得到的复合材料进行了一系列的结构表征与分析。结果表明,制备出氧化镍均匀的生长在氧化铟微球表面,形貌呈薄片状,片的长度约为100 nm,制备出的NiO/In_2O_3复合材料的尺寸为0.5-1μm。气敏检测结果显示虽然得到的纳米复合材料的灵敏度相比于纯In_2O_3提高的并不多,但是其最佳工作温度却降低了20oC。并且对甲醛具有良好的选择性,具有较好的稳定性。5.通过水热法合成了In_2O_3/rGO纳米复合材料。rGO是一种典型的二维材料,其具有大的比表面积以及特有的官能团可为气敏性能的提高提供可能性。本文首先对已制备出的氧化铟立方体进行表面处理使其表面带有正电荷,利用静电吸引的方法,将氧化铟与GO复合,随后将GO在水热环境下还原为rGO。对用该材料制作的气敏传感器元件进行气敏性能测试,在室温下,其对100 ppm的NH_3具有良好的灵敏度,并且随着NH_3浓度的增加,其灵敏度也随之增大。
【图文】：

气体传感器,金属氧化物,制作成本,气敏传感器

图 1.1 气敏传感器的分类以及优缺点另外，由于电阻式气体传感器具有较高的响应值，快速的响应恢复时间、制作成本低等优势而受到广泛研究，常用来制作传感器的金属氧化物材料有 Fe2O3、ZnO、In2O3以及 NiO 等。由于金属氧化物半导体的导电类型不同，，因此可以分为 P 型半导体和 N型半导体，其中 P 型半导体主要载流子是空穴，而 N 型半导体的主要载流子为电子。常见的 P 型和 N 型半导体如表 1.1 所示[16-17]。表 1.1 常见的 N 型和 P 型半导体材料1.1.2 气体传感器的特征参数半导体类型金属氧化物和复合氧化物半导体n 型 ZnO、Fe2O3、SnO2、WO3、MoO3、In2O3P 型 CuO、Cu2O、NiO、Cr2O3、MnO2、Co3O4

电阻变化,气体,气敏元件,气体传感器

图 1.2 N 型半导体在被测气体中的电阻变化图性当气体传感器所处的环境中有各种气体时，能够对特定来说当一个传感器只对一种气体具有较高的灵敏度，而抗干扰能力强，也就是选择性良好[19]。-恢复时间指气敏元件从开始接触到被测气体到电阻值的变化（△是指当被测气体从气敏元件上脱附材料的阻值恢复为来说，响应和恢复时间越短，气体传感器的性能越好。电阻一个基本的参数，它是指气敏元件在工作状态下，气敏阻稳定后才可以开始用被测气体测试气敏性能，一般用稳定性
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33;TQ133.53

【参考文献】