光沉积法制备氧化钨负载铂、钯复合材料及气敏性能研究

发布时间：2020-11-10 06:10

　　 在气敏应用中,对目标气体具有高选择性、高灵敏度以及快速的响应和恢复的气敏材料设计、制备仍然存在一定的挑战。基于半导体金属氧化物的化学电阻式气体传感器,由于其在环境监测和医疗诊断等方面的应用前景引起了科研工作者的广泛关注。原子级分散的贵金属催化剂通常具有卓越的催化活性,将其与半导体金属氧化物复合能在提升材料对目标气体气敏性的同时,降低贵金属的使用量。本课题提出使用一种简单的光沉积法原位合成WO_3负载Pt、Pd复合材料,研究贵金属以原子尺寸分散在WO_3表面的合成机理,并且在电子耗尽模型的基础上,从贵金属的催化和敏化作用出发,研究该结构材料拥有优越气敏性能的机理。本文通过光沉积法原位合成原子级分散的Pt/WO_3复合材料,Pt被无定形H_2WO_4稳定在WO_3纳米片表面,这种特殊的结构使其表现出优异的气敏性能。Pt/W-1-Xe样品在150°C下对30 ppm丁酮气体的响应值为92.45,是单一WO_3纳米片(10.94)的9倍左右,响应和恢复时间分别为5 s和18 s。Pt/W-1-Xe对丁酮的检测限度是125 ppb,响应值为2.08,而相对应的单一WO_3纳米片的响应值则为1.72(125 ppb)。这主要是因为,原子级分散的Pt可以提供卓越的原子效率,充分发挥Pt的贵金属催化作用以及敏化作用,为丁酮气体提供更多的吸附和反应活性位点,从而提高材料的气敏性能。这些结果表明原子级分散Pt/WO_3在呼出气体检测以及无创监测人体健康状况等方面具有广阔的应用前景。在前期实验成果的基础上,本文通过光沉积法原位合成Pd/WO_3复合材料,Pd在无定形H_2WO_4的稳定作用下均匀的分散在WO_3纳米片表面,这种特殊的结构使其表现出优异的气敏性能。Pd/W-1-UV样品在150°C下对30 ppm丁酮气体的响应值为49.73,响应和恢复时间分别为5 s和18 s。Pd/WO_3复合物能显著增强材料的气敏性能,主要原因是Pd在WO_3纳米片表面分布均匀,能够充分发挥其催化性能,为丁酮气体提供更多的活性位点,使丁酮气体更易扩散至整个材料表面。同时,在Pd的电子敏化和化学敏化作用下,材料接触丁酮气体后肖特基势垒发生较大变化,从而实现对丁酮的高灵敏度和高选择性。
【学位单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

1.3 WO3气敏材料研究现状1.3.1 WO3的基本性质及其在气敏方面的应用三氧化钨（WO3）的晶体结构一般是由角和边共享的[WO6]钨氧正八面体构成。随着对 WO3热处理温度的升高，[WO6]八面体容易向不同的方向发生扭曲，因此 WO3会表现出不同的相态。根据[WO6]正八面体的旋转方向和扭曲角度可以将WO3的相态分为以下几种：单斜 I（I -WO3，< 43 °C），三斜（ -WO3， 43~17 °C），单斜 （Iγ-WO3，17~330 °C），正交（β-WO3，330~740 °C），四方（ɑ-WO3，>740 °C）和立方 WO3。其中立方相 WO3是理想的 ReO3结构，在实验中较难获得。图 1-5是 WO3的相态随热处理温度变化示意图[23]。由于单斜 II 相（ -WO3）只在低于 43 °C 的温度下存在，因此，如无特殊说明，本论文中所讨论的为单斜 I 相（γ-WO3）。

同维度纳米材料的形貌示意图：（左列）组成分级结构的纳米单元；（右同纳米单元构成的分级结构Nomenclature of hierarchical structures according to the dimensions of the nanblocks (the former) and of the consequent hierarchical structures (the later)气敏材料，具有分级结构的纳米材料之所以灵敏度更高，是因更大，可以为气体分子提供较多的吸附位点，同时疏松的多孔子快速扩散；（2）材料表面含有较多的结构缺陷，尤其是表利于气敏性能的提高；（3）在制备分级结构纳米材料的过程晶面生长速度使单晶的活跃极性晶面优先暴露。ng等[50]通过水热法和适当的热处理制备出由不规则纳米片自组WO3分级结构（如图1-8所示），在90 °C下对极低浓度2 ppb的12.8。Qi等[51]通过一步水热法制备出垂直排列、双面自组装三列，这种分级结构可以大面积的暴露（002）晶面，大量不饱

三维花状WO3分级结构（如图1-8所示），在90 °C下对极低浓度2 ppb的NO2的响应值高达12.8。Qi等[51]通过一步水热法制备出垂直排列、双面自组装三维WO3纳米棒阵列，这种分级结构可以大面积的暴露（002）晶面，大量不饱和配位氧
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本文编号：2877580