铁基纳米氧化物及复合材料制备与气敏性能研究
发布时间：2020-10-11 03:59
丙酮探测气敏传感器不仅在化工安全生产起着重要作用,而且可以测试人体呼出的丙酮含量,对高血糖患者进行筛查和无痛监测管理。此外,还可应用于食品工业发酵控制。所以研究开发灵敏度高、选择性好、响应/恢复时间短、工作温度低、长期稳定性高的丙酮传感器具有十分重要的意义。气敏材料是影响气体传感器性能的关键因素之一,因此本论文以廉价的原材料,简易的合成方法为前提,通过结构改变、掺杂、复合等手段制备性能优异的丙酮气敏传感材料为目标,系统的分析材料气敏机理,为纳米铁基氧化物气敏材料的进一步应用与发展提供实验基础及理论依据。本论文首先制备零维α-Fe_2O_3纳米粒子、一维α-Fe_2O_3纳米棒、二维α-Fe_2O_3纳米片。α-Fe_2O_3纳米粒子尺寸越小比表面越高、吸附活性越大,灵敏度也越高;一维α-Fe_2O_3纳米棒提高了对丙酮气体的选择性;二维α-Fe_2O_3纳米片属于α-Fe_2O_3粒子的组装体,互相以“筛式”方式搭接,有效降低了团聚,对目标气体丙酮的响应值均有提升。为进一步提高α-Fe_2O_3气敏特性,采用静电纺丝制备α-Fe_2O_3纳米线,合成的α-Fe_2O_3纳米线是集成粒子组装、一维线型、三维孔隙等复合结构体,具有较高的比表面积及孔隙率,展现出较快的响应/恢复时间及较高的丙酮敏感特性。为提高纳米α-Fe_2O_3灵敏度,降低以α-Fe_2O_3为主体材料对丙酮气体的检测下限,对其进行Ag掺杂改性,原子比6%的贵金属Ag掺杂α-Fe_2O_3表现出最佳的气敏特征。为降低掺杂改性气敏材料成本,合成6%Mn、6%Co、6%Zn三种过渡金属掺杂α-Fe_2O_3气敏材料,研究结果发现,掺杂均提高了氧缺陷、降低了晶粒尺寸、提高了比表面积,对丙酮气体具有优异的气敏特性。为提高铁基纳米氧化物的长期稳定性,制备两种双金属铁基纳米氧化物(ZnFe_2O_4和NiFe_2O_4),并对这两种材料展开掺杂改性研究,实验结果表明,掺杂均对两种材料结构产生影响,如晶格的变化、氧空位的变化、介孔分布的变化等,从而影响其表面吸附能及活化点位,制备的气敏元件灵敏度和稳定性均得到相应的提高。为降低工作温度,合成石墨烯/ZnFe_2O_4和碳纳米管/ZnFe_2O_4两种复合材料。研究发现,在材料复合过程中,由于界面的影响,ZnFe_2O_4粒子尺寸进一步降低,石墨烯或碳纳米管两种材料在单一应用过程中易团聚的特点得到改善,测试丙酮气体的最佳工作温度降低至180℃,并且有效降低乙醇气体的干扰,从而提高了其选择性;碳纳米管/ZnFe_2O_4复合材料从结构上与静电纺丝的线形结构相似,对比石墨烯/ZnFe_2O_4大尺寸的片层结构,线形碳纳米管/ZnFe_2O_4复合气敏材料互相堆叠形成丰富的三维孔隙,在制备生成器件过程中,低温烧结留下丰富的透气孔,所以具有更快的响应/恢复时间及更高的丙酮敏感性能。
【学位单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB34;TP212
【部分图文】：
第 1 章 绪论要的铁氧体，分别属于 n 型及 p 型半导体，由于铁氧体内部利于气敏性能的缺陷，因而两者均具有良好的气体敏感性能基纳米氧化物气敏材料研究现状）α-Fe2O3气敏材料研究现状e2O3又称为赤铁矿，它属于六方晶系呈现典型的六方密堆积为 2.2 eV[31]。图 1-1 为 α-Fe2O3结构图，体系中六个氧原子。由于 α-Fe2O3合成方法简单方便，外观形貌易于控制，材有良好的气敏性能，已经成为当下研究热点。
第 2 章 实验与研究方法2.3 气敏元件制备与测试方法2.3.1 气敏元件制备选用一定量本文合成的样品粉末放入研钵中，充分研磨后加入无水乙醇进行超声分散，超声分散好的液体通过离心机进行固液分离，得到的沉淀物进行真空干燥，等固体与液体比例约为 1:1 时停止干燥，得到糊状物，用刷子反复涂覆在氧化铝陶瓷管壁（长 4 mm，外径为 1.2 mm，内径为 0.8 mm）使之充分地覆盖整个陶瓷管壁。将涂覆好样品的陶瓷管置于冷冻干燥机内冻干。然后按图 2-1 方式制备气敏器件，并在 200 ℃下进行老化，时间为 3 天测试时通过调节电压大小，来调节控制传感器件的工作温度。
哈尔滨理工大学工学博士学位论文（2）微观形貌与结构分析α-Fe2O3NP1样品是 0.01 mol/L CTAB 表面分散剂条件下，采用磁力方式，得到 α-Fe2O3表面形貌如图 3-2(a)，粒子直径 200 nm 左右；α-FNP2样品是 0.01 mol/L SPan80 表面分散剂条件下，采用磁力搅拌方式，α-Fe2O3表面形貌如图 3-2(b)，粒子尺寸有所变小，约为 150 nm，由此不同表面活性剂对粒子尺寸产生一定的影响，但可能由于分散不足，颗互相融合，有类纺锤型的粒子形成；α-Fe2O3NP3样品是 0.01 mol/L SP表面分散剂条件下超声分散（20 kHz，300 W），得到 α-Fe2O3表面形图 3-2(c)，可见超声波分散对 α-Fe2O3尺寸变化起着重要的影响作用，样实验条件下（0.01 mol/L SPan80 表面分散剂），α-Fe2O3粒子尺寸变大，尺寸减少到 100 nm 左右；α-Fe2O3NP4样品是进一步加大超声波功1000 W，α-Fe2O3粒子尺寸进一步减小，并且变的更加均匀，约为 20 n右，如图 3-2(d)。
本文编号：2836031
【学位单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB34;TP212
【部分图文】：
第 1 章 绪论要的铁氧体，分别属于 n 型及 p 型半导体，由于铁氧体内部利于气敏性能的缺陷，因而两者均具有良好的气体敏感性能基纳米氧化物气敏材料研究现状）α-Fe2O3气敏材料研究现状e2O3又称为赤铁矿，它属于六方晶系呈现典型的六方密堆积为 2.2 eV[31]。图 1-1 为 α-Fe2O3结构图，体系中六个氧原子。由于 α-Fe2O3合成方法简单方便，外观形貌易于控制，材有良好的气敏性能，已经成为当下研究热点。
第 2 章 实验与研究方法2.3 气敏元件制备与测试方法2.3.1 气敏元件制备选用一定量本文合成的样品粉末放入研钵中，充分研磨后加入无水乙醇进行超声分散，超声分散好的液体通过离心机进行固液分离，得到的沉淀物进行真空干燥，等固体与液体比例约为 1:1 时停止干燥，得到糊状物，用刷子反复涂覆在氧化铝陶瓷管壁（长 4 mm，外径为 1.2 mm，内径为 0.8 mm）使之充分地覆盖整个陶瓷管壁。将涂覆好样品的陶瓷管置于冷冻干燥机内冻干。然后按图 2-1 方式制备气敏器件，并在 200 ℃下进行老化，时间为 3 天测试时通过调节电压大小，来调节控制传感器件的工作温度。
哈尔滨理工大学工学博士学位论文（2）微观形貌与结构分析α-Fe2O3NP1样品是 0.01 mol/L CTAB 表面分散剂条件下，采用磁力方式，得到 α-Fe2O3表面形貌如图 3-2(a)，粒子直径 200 nm 左右；α-FNP2样品是 0.01 mol/L SPan80 表面分散剂条件下，采用磁力搅拌方式，α-Fe2O3表面形貌如图 3-2(b)，粒子尺寸有所变小，约为 150 nm，由此不同表面活性剂对粒子尺寸产生一定的影响，但可能由于分散不足，颗互相融合，有类纺锤型的粒子形成；α-Fe2O3NP3样品是 0.01 mol/L SP表面分散剂条件下超声分散（20 kHz，300 W），得到 α-Fe2O3表面形图 3-2(c)，可见超声波分散对 α-Fe2O3尺寸变化起着重要的影响作用，样实验条件下（0.01 mol/L SPan80 表面分散剂），α-Fe2O3粒子尺寸变大，尺寸减少到 100 nm 左右；α-Fe2O3NP4样品是进一步加大超声波功1000 W，α-Fe2O3粒子尺寸进一步减小，并且变的更加均匀，约为 20 n右，如图 3-2(d)。
本文编号：2836031
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