金属氧化物纳米材料的气体传感特性研究

发布时间：2020-07-17 23:12

【摘要】：气体传感器是一种用于检测可燃物、易燃气体、有毒气体以及气体消耗的设备,广泛应用于工业、环境、消防和医疗等众多领域。基于金属氧化物半导体电阻式的气体传感器因其灵敏度高,成本低,制造简易以及可与现代电子设备兼容等特点而备受关注。纳米线、纳米管、球型纳米颗粒等纳米材料具有较大的比表面积,有利于气体与敏感材料的表面反应,因此,在这一研究领域占据了主导地位。本文从获得灵敏度高、工作温度低的金属氧化物半导体气体传感器的敏感材料角度出发,分别合成了CuO和Fe_2O_3两组纳米材料、并研究了其气体传感特性。该研究为有目的性地设计敏感材料表面结构来提高气体传感器传感性能和降低传感器工作温度提供了新的思路。1.CuO纳米材料对CO气体传感性能的研究比表面积和晶体的不同暴露面是影响半导体金属氧化物气体传感性能的两个重要因素。为了研究材料的表面结构对气敏特性的影响,我们首先在强碱溶液中分别制备了Cu纳米线和Cu_2O纳米立方体。对其氧化后得到两种不同类型的氧化铜(CuO)纳米材料:暴露面为(111)晶面的CuO纳米管(CuO NTs)以及暴露面为(110)晶面的CuO纳米立方体(CuO NCs)。随后,我们考察了上述两种材料的气体传感性能。研究表明,相对于CuO纳米立方体,CuO纳米管对CO气体表现出了更低的工作温度以及更高的灵敏度。在工作温度为175~℃时,CuO纳米管呈现了较高的响应强度和良好的选择性。本工作表明,对于同种成分的半导体气体传感材料,晶体表面的不同结构对其气体传感特性具有重要影响。2.γ-Fe_2O_3纳米颗粒对乙醇气体传感性能的研究提高检测灵敏度和降低工作温度是气体传感器应用的关键问题。对于气体传感器,敏感材料的成分和结构在决定传感性能方面起着重要作用。本工作中,首先通过水热法合成了Fe_3O_4纳米颗粒,再经过退火处理氧化为γ-Fe_2O_3纳米颗粒。气体检测结果表明,该γ-Fe_2O_3纳米颗粒对乙醇气体表现出了较好的传感特性。在最佳工作温度(200~℃)时,γ-Fe_2O_3纳米颗粒对1000 ppm乙醇气体的响应强度为74.6,检测限(LOD)约为0.026 ppm。另外在室温下,γ-Fe_2O_3纳米颗粒对不同浓度的乙醇气体(1到1000 ppm)仍然表现出良好的响应强度、选择性和稳定性。因此γ-Fe_2O_3纳米颗粒因具有检测灵敏度高、工作温度低且在室温下具有良好响应的特性,有望作为新型气敏材料应用于实际环境中的乙醇气体检测。
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;TP212
【图文】：

气体传感器,领域

第一章绪论通过监控地面污染源的排放强度及时反映环境污染状况，以便人们做出正确的治理措施；第三，在医疗诊断方面，气体传感器可以用于检测呼吸标记物，从而协助进行疾病诊断，为医患双方提供便利；第四，在日常生活方面，居民可以使用气体传感器检测家具中的甲醛含量或监测煤气泄漏等。所以气体传感器的研究对于国家社会的发展和人们生活的保障都有着十分重大的意义。

还原性气体,晶界势垒,金属氧化物,敏感材料

西北大学硕士学位论文其它与金属氧化物相互作用产生的电子，使这片区域的电子减少，导致晶界的势垒增大。当传感器与还原性气体接触时，晶粒表面的吸附氧和还原性气体发生反应，被氧得到的电子又重新回到了金属氧化物中，因此势垒变小，电子容易流动，金属氧化物的电阻减小。相反，当传感器与氧化性气体接触时，不仅和晶粒表面的吸附氧发生反应得到电子，又因为氧化性气体的电子亲和能较大，还会直接从敏感材料中再得到电子，从而使势垒继续增加，金属氧化物的电阻增大。p 型敏感材料与 n 型敏感材料相反，当暴露在还原性气体气氛中时，金属氧化物的电阻增大；当暴露在氧化性气体中时，金属氧化物的电阻减小。因此，敏感材料的可变电阻值是气体检测的一个重要依据。

纳米线,纳米管,烧瓶,烘箱

过水净化系统(18.25 M cm)得到的去离子水。度均为分析纯(AR)。的合成在含有 EDA 的强碱性水溶液中还原 Cu2+得到 Cu 纳米2Cu2++ N2H4+ 4OH-2Cu + N2+ 4H2O 烧瓶中，往100 mL 15 M现配的NaOH溶液中加入5 mL上述溶液中相继加入 660 L EDA 和 100 L，32 wt%止搅拌，将烧瓶放在 80oC 的烘箱中静置 40 到 60 min去离子水、无水乙醇迅速洗涤三遍(离心再分散循环)夜，得到的产物为 Cu 纳米线。因为 Cu 纳米线的生长在制备 Cu 纳米线的过程中温度的波动，我们选择烘箱

【参考文献】