纳米三氧化二铟气敏材料的制备及性能研究

发布时间：2017-05-23 14:14

  本文关键词：纳米三氧化二铟气敏材料的制备及性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：金属氧化物气敏材料具有价格低廉、制作简单、灵敏度高、稳定性好和响应恢复时间快等优越性能而被普遍用于环境保护、食品安全、室内环境、疾病诊断和安全预警等多个领域中。目前商品化的半导体金属氧化物气体传感器存在着许多缺点,如工作温度偏高、灵敏度低、恢复时间慢、选择性和稳定性差等,使得半导体气体传感器在实际的应用中受到限制。近年来,许多研究者为提高半导体气体传感器的气敏性能展开了大量的研究,主要从改变化学元素组成、贵金属表面修饰和改变微观结构等方面。三氧化二铟是一种重要的气体传感材料,可被应用于检测各种有毒有害及易燃易爆等危险性气体,如一氧化碳、氢气、氮氧化合物、硫化氢等等。因此本论文通过不同的反应体系分别制备了In_2O_3纳米球和Ni掺杂的In_2O_3纳米粒子,系统地研究了材料的气体敏感特性,提高了对硝基烷烃和芳香烃气体检测的灵敏度和稳定性,减少了响应恢复时间。本文取得了以下的研究成果:利用乙二醇、1,3-丙二醇和乙醇的体系制备了In_2O_3纳米球。通过粉末X-射线衍射、扫面电镜、投射电镜、高分辨投射电镜、热重和X射线光电子能谱表征了In_2O_3纳米球的结构、形貌和热稳定性。获得的In_2O_3纳米球是由5 nm左右的小粒子自组装构成的,球的尺寸大约为200-300 nm。在煅烧温度为300°C时,In_2O_3纳米球的结晶程度较弱,具有更多的表面缺陷,进而活性位点增加,吸附氧的含量增加,因此,对硝基甲烷、硝基乙烷和硝基丙烷的气敏性能优于煅烧温度为400和500°C的In_2O_3纳米球。140°C时,In_2O_3纳米球气体传感器对100 ppm硝基甲烷、硝基乙烷和硝基丙烷的响应值分别是163、220和375。该传感器对三种气体都具有响应时间短(少于1 s)、循环稳定性好(50次)和检测限低(100 ppb)等优势。In_2O_3纳米球对爆炸性硝基化合物表现出的高响应特性,这主要是因为硝基的强吸电子作用和低工作温度。芳香烃化合物是指苯及其衍生物一类的化合物,作为一种重要的有机溶剂而被广泛应用于我们的日常生活和生产中。但是探测低浓度的芳香烃化合物仍然是一个艰巨的任务,这是因为其化学惰性和空间位阻大大阻碍了其与敏感材料表面之间的作用。用溶剂热法合成了纯In_2O_3和Ni掺杂的In_2O_3纳米粒子,450°C煅烧处理后,所得Ni掺杂的In_2O_3纳米粒子的结晶程度较弱。随着煅烧温度的增加,晶型向立方相In_2O_3转变,并未出现任何Ni及其化合物的特征衍射峰。由投射电镜可以观察到,Ni掺杂的In_2O_3纳米粒子的晶粒尺寸大约为20-30 nm,从高分辨投射中可观察到由于Ni的存在使样品的晶体聚集生长受到了限制。从X射线光电能谱数据可以得出Ni掺杂的In_2O_3纳米粒子的吸附氧含量高于纯In_2O_3纳米粒子,并得出Ni进入In_2O_3纳米粒子的晶格中,形成了稳定的置换固溶体。Ni掺杂的In_2O_3纳米材料对芳香烃具有优异的气敏性能,对苯、甲苯和二甲苯的高响应值分别是42、18和34,而且该传感器对三种气体的响应速度快(少于1 s)、工作温度低(200°C)和检测线低(100 ppb)等优势。该材料制得的气体传感器在检测芳香烃化合物方面具有潜在的应用。
【关键词】：金属氧化物半导体 In_2O_3 爆炸性的硝基化合物 芳香烃化合物 气敏性能
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;TP212
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-30
• 1.1 引言11-12
• 1.2 金属氧化物半导体传感器简介12-20
• 1.2.1 金属氧化物半导体传感器的研究进展12-15
• 1.2.2 金属氧化物半导体传感器的类型15-16
• 1.2.3 金属氧化物半导体传感器的气敏反应机理16-18
• 1.2.4 金属氧化物半导体传感器的性能参数18-20
• 1.3 In_2O_3半导体气敏材料的简介及其气敏性质的研究概况20-28
• 1.3.1 In_2O_3半导体气敏材料的简介20-21
• 1.3.2 In_2O_3气体传感器的性能影响因素21-26
• 1.3.3 In_2O_3气体传感器的应用26-28
• 1.4 本论文的选题立意及工作内容28-30
• 第2章 In_2O_3纳米球的合成及硝基化合物检测中的应用30-46
• 2.1 引言30-31
• 2.2 实验部分31-34
• 2.2.1 实验试剂及原料31-32
• 2.2.2 In_2O_3纳米球的合成32
• 2.2.3 样品的表征32
• 2.2.4 半导体气体传感器件的制作和响应测试32-34
• 2.3 结果与讨论34-45
• 2.3.1 In_2O_3纳米球结构及形貌的表征34-38
• 2.3.2 In_2O_3纳米球对硝基烷的气敏性质研究38-45
• 2.3.3 In_2O_3纳米球对硝基烷的气敏反应机理45
• 2.4 本章小结45-46
• 第3章 Ni掺杂In_2O_3纳米粒子的合成及芳香烃气敏检测中的应用46-58
• 3.1 引言46-47
• 3.2 实验部分47-49
• 3.2.1 实验试剂47
• 3.2.2 Ni掺杂的In_2O_3纳米粒子的合成47-48
• 3.2.3 样品的表征48
• 3.2.4 气体传感器件的制作和响应测试48-49
• 3.3 结果与讨论49-57
• 3.3.1 Ni掺杂的In_2O_3纳米粒子的结构及形貌表征49-53
• 3.3.2 Ni掺杂的In_2O_3纳米粒子的气敏性能研究53-57
• 3.3.3 Ni掺杂的In_2O_3纳米粒子的气敏反应机理57
• 3.4 本章小结57-58
• 第4章 结论与展望58-60
• 参考文献60-81
• 硕士期间研究成果81-82
• 致谢82

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本文编号：388186