氧化锌多孔复合纳米材料的制备及其气敏性能研究

发布时间：2017-12-15 00:07

  本文关键词：氧化锌多孔复合纳米材料的制备及其气敏性能研究

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【摘要】：氧化锌(ZnO)作为一类重要的n-型半导体气敏传感材料,如何提高其灵敏度和选择性一直是研究的热点。材料的组分和结构是影响气敏性能的关键因素,高价铟元素(In)掺杂到ZnO晶格中会释放出自由电子；金元素(Au)具有催化活性,有利于电子转移；三维有序大孔结构(3DOM)拥有较大的比表面积和较多的孔结构,可以提供较多的活性位点。目前,在气敏传感领域虽然有关金属元素掺杂或者贵金属负载ZnO材料研究的工作很多,但是ZnO掺In负载Au这种多金属复合材料研究较少,而且3DOM结构的ZnO复合材料还未曾有人关注。本文分别制备了3DOM ZnO纳米材料、3DOM ZnO掺In纳米材料和3DOM ZnO掺In负载Au纳米材料,并对材料组分、结构和性能之间的关系进行了研究。具体内容如下：1、合成了一系列3DOM ZnO掺杂不同摩尔比In的纳米材料并对其进行气敏性能研究,结果表明适量In掺杂可以有效提高材料对乙醇的灵敏度和选择性。3DOM ZnO/5%In在最佳工作温度250℃时对100 ppm乙醇灵敏度约为88,与纯的3DOM ZnO相比,灵敏度提升了近两倍,工作温度降低了约35℃。通过扫描电镜、透射电镜、氮气吸脱附等表征手段,证明合成的3DOM样品具有丰富的孔道结构和较大的比表面积,3DOM结构这种特殊形貌有效提高了材料的气敏性能。利用X射线衍射、拉曼光谱、霍尔效应、X射线光电子能谱等表征技术探讨了气敏机理,在In掺杂摩尔百分比低于5 at.%时,随着In掺杂摩尔百分比的增加,载流子浓度逐渐升高,化学吸附氧含量增多,气敏灵敏度随之升高。当In掺杂摩尔百分比超过5 at.%时,随着In掺杂摩尔百分比的增加,结晶性下降程度严重,导致载流子浓度逐渐降低。2、利用胶晶模板法一步制备了掺In负载Au的3DOM ZnO三元复合纳米材料,制备方法操作简单,原料成本低廉,合成过程损失少,产物产率高,且绿色无污染,适合工业化生产。In掺杂摩尔百分比为5 at.%且Au负载摩尔百分比为0.05 at.%时,材料在250℃下对100 ppm乙醇的灵敏度高达240,材料灵敏度大大提升,成功达到了材料改性的目的。气敏机理研究表明,在3DOM ZnO掺In负载Au的三元复合纳米材料中,适量的In掺杂增大了材料的载流子浓度,适量Au负载的作用是增强载流子迁移率,二者协同作用使得ZnO材料表面化学吸附氧含量增加,从而提高了材料的气敏性能。
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;TQ132.41

【参考文献】

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1 Rajesh Kumar;O.Al-Dossary;Girish Kumar;Ahmad Umar;;Zinc Oxide Nanostructures for NO_2 Gas Sensor Applications:A Review[J];Nano-Micro Letters;2015年02期

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本文编号：1289874