二氧化锡纳米材料的水热合成及其气敏性能研究

发布时间：2017-04-07 10:05

  本文关键词：二氧化锡纳米材料的水热合成及其气敏性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：二氧化锡作为一种重要的的N型宽禁带(3.6 eV,300 K)半导体材料,在传感器、光催化、太阳能电池、超级电容器等多个领域都有广泛的应用。其中最重要的应用之一便是传感器。由SnO_2作为气敏元件制作的传感器具有高的响应能力、较好的响应恢复特性和稳定性,使它成为最具潜力的气敏材料之一。半导体材料的气敏性能很大程度上依赖于其结构和形貌,如何制备可控尺寸和特殊形貌的纳米SnO_2成为了一个重要的研究方向。本论文采用操作简单、成本较低的水热合成技术,以改善气敏性能为目的,通过调整合成条件、向体系添加碱液、表面活性剂,进行烧结处理,制备出了不同形貌的SnO_2,包括中空结构、具有大比表面积的疏松多孔结构,这些均有利于提高传感器的气敏特性。通过XRD、SEM、TEM、HRTEM和SAED等表征测试手段对材料的微观结构和形貌进行表征,探讨其生长机理,并对它们的气敏性能进行了研究。主要研究内容包括以下几部分:(1)由一维纳米棒组装的棒状SnO_2结构:采用简单的水热法,以SnCl_2·2H_2O作为反应物,添加表面活性剂CTAB或PEG,分别合成了实心棒状和多孔的SnO_2中空棒状结构。反应物浓度和表面活性剂的不同对SnO_2形成过程和形态有很大影响。相比由实心棒状结构制成的传感器,基于多孔棒状结构的传感器对乙醇有更高的响应,在最佳工作温度350 oC时响应达最大值54。这归因于多孔SnO_2棒状结构的表面有大量的花瓣状纳米片和孔隙,提供更多的气体扩散路径,有利于气体扩散。(2)由一维纳米棒/锥体组装的花状SnO_2结构:首先,采用一步水热法在温和条件下合成了由中心向四周放射性生长的一维纳米棒组装的SnO_2花状结构,揭示了它如何由球状变成花状结构。PEG-6000的存在控制SnO_2晶体生长过程,是获得均匀形貌、分散性好的花状SnO_2的关键性因素。在最佳工作温度313°C,气体灵敏度达到最大值S=35,响应和恢复时间分别为7-8s和9-10s。良好的气敏性能表明了它用作气体传感器的潜能。随后,采用水热法合成了由纳米锥体组装的三维花状SnO_2结构,单个纳米锥体的最大直径接近块体SnO_2德拜长度的两倍,氧气化学吸附引起大量的电子消耗,这有助于气敏性能的提高。测试了材料对100ppm H_2在低温50°C紫外照射下的气敏特性,气敏响应在几秒钟从2.7增加到9.5。这不仅是因为新颖的一维-三维构架提供了大量反应位点和充足的气体扩散空间,还由于在紫外光激发下,Sn-O(ad)重构为Sn-O(hv),这使其可以在低温下有效检测H_2。(3)由二维纳米片组装的多孔花状SnO_2结构:三维多孔结构和分级组装,在避免纳米结构团聚、保留大的比表面积的同时,还由于内部存在孔道结构有利于气体的扩散,是构筑高灵敏度和快速响应气敏材料的理想结构,备受关注。首先,采用一步水热法,在表面活性剂CTAB辅助下,合成了由大量纳米片聚集组装成的多孔SnO_2花状结构,有良好的气敏性能。这归因于其独特的二维片状结构,它缩短了气体扩散的距离,为待测气体提供更易进入的通路和活性表面。随后,通过简单的水热法结合烧结处理,制备了一种新颖的雪片状SnO_2分层结构。该层级结构是由大量薄纳米片组成,纳米花花瓣上多孔的特性能进一步增加材料的活性表面,促进气体扩散和在气敏材料上的运输。气敏测试结果验证了雪片状的SnO_2结构表现出良好的选择性、高的响应和快的响应恢复性能。
【关键词】：SnO_2 水热法 三维结构 气敏性能
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;TQ134.32
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 绪论10-26
• 1.1 纳米材料概述10-15
• 1.1.1 纳米材料定义及分类10-11
• 1.1.2 纳米材料的发展历史11
• 1.1.3 纳米材料的制备方法11-12
• 1.1.4 纳米材料的基本效应12-14
• 1.1.5 纳米材料的特性及应用14-15
• 1.2 纳米二氧化锡15-17
• 1.2.1 SnO_2的晶体结构15
• 1.2.2 SnO_2的基本性质及应用15-16
• 1.2.3 SnO_2的研究现状16-17
• 1.3 纳米半导体气敏传感器17-24
• 1.3.1 概述17
• 1.3.2 半导体气敏传感器的分类17-18
• 1.3.3 半导体气敏传感器的性能指标18-19
• 1.3.4 形貌对气敏性能的影响19-22
• 1.3.5 气敏机理22-24
• 1.4 论文的研究目的和主要内容24-26
• 1.4.1 论文的研究目的24-25
• 1.4.2 论文的主要内容25-26
• 2 材料合成、表征与性能测试26-32
• 2.1 实验方案26-27
• 2.2 实验原料与设备27-28
• 2.3 结构与形貌表征28-29
• 2.4 气敏性能测试29-32
• 2.4.1 气敏元件的制作29-30
• 2.4.2 气敏性能测试系统30-32
• 3 棒状二氧化锡的水热合成与气敏性能研究32-38
• 3.1 引言32
• 3.2 材料制备32-33
• 3.2.1 添加表面活性剂CTAB制备的实心棒状SnO_232
• 3.2.2 添加表面活性剂PEG制备的中空棒状SnO_232-33
• 3.3 材料的表征与分析33-34
• 3.4 生长机理和表面活性剂的影响34-35
• 3.5 气敏性能研究35-37
• 3.6 本章小结37-38
• 4 一维纳米棒/锥体组装的花状二氧化锡的水热合成研究38-48
• 4.1 前言38
• 4.2 纳米棒组装的SnO_2花状结构38-42
• 4.2.1 材料的制备38
• 4.2.2 样品的表征与分析38-39
• 4.2.3 反应时间对产物形貌的影响39-40
• 4.2.4 生长机理分析40-41
• 4.2.5 气敏性能测试41-42
• 4.3 纳米锥体组装的SnO_2花状结构42-45
• 4.3.1 实验部分42-43
• 4.3.2 样品的表征与分析43-44
• 4.3.3 气敏性能测试44-45
• 4.4 本章小结45-48
• 5 二维纳米片组装的多孔花状二氧化锡的水热合成研究48-56
• 5.1 前言48
• 5.2 一步水热法合成的多孔SnO_2花状结构48-51
• 5.2.1 材料的制备48
• 5.2.2 样品的表征与分析48-50
• 5.2.3 气敏性能测试50
• 5.2.4 生长机制的讨论与分析50-51
• 5.3 烧结处理前后的SnO_2花状结构对比51-54
• 5.3.1 材料的制备51-52
• 5.3.2 样品的表征与分析52-53
• 5.3.3 生长机理53
• 5.3.4 气敏性能测试53-54
• 5.4 本章小结54-56
• 6 结论与展望56-58
• 6.1 论文的主要结论56-57
• 6.2 展望57-58
• 致谢58-60
• 参考文献60-68
• 附录 A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文68-69

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