氧化锌基纳米材料的制备及其气敏性能

发布时间：2017-09-09 16:27

  本文关键词：氧化锌基纳米材料的制备及其气敏性能

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【摘要】：氧化锌(ZnO)是非常重要的半导体材料之一。在室温条件下,氧化锌的禁带宽度为3.37 eV,使其能够在很多方面得到很好的应用,尤其是传感器方向。在之前的研究中,氧化锌类传感器已经在气体气敏测试中取得极好的成绩,不同结构的氧化锌对分析气体表现出特异的气敏响应。除了形貌的影响,贵金属的加入也会大大的提高氧化锌材料的气敏性能,这样的提高除了贵金属的催化效果还有贵金属与载体之间的协同作用。本论文通过水热法合成两类氧化锌纳米材料,一类是氧化锌纳米片,一类是Au@ZnO核壳材料,从结构、形貌和贵金属纳米粒子催化作用等方面研究气敏性能改善的方法。1.利用ZnCl2和氨水,通过简单的水热法制备出层状的碱式氯化锌Zn5(OH)8Cl2·H2O前驱体。在空气中,高温条件(400℃和500℃)下煅烧前驱体得到两种不同形貌的氧化锌材料,二者的结构差异通过XRD、SEM、 TEM、FTIR、XPS等表征手段来体现。在400℃下煅烧制备的样品为氧化锌纳米片,厚度～25nm。在500℃下煅烧的样品,片层结构被破坏纳米粒子发生团聚生成纳米圆片,形貌结构发生很大改变。Zn0400纳米片具有更高的化学吸附氧含量、高极性的晶面暴露和较窄的禁带宽度(方便电子跃迁),为气敏性能的增加提供了有利的条件。通过气敏性能对比,Zn0400传感器对乙醇的气敏响应值(-70)明显高于Zn0500的气敏响应值(-37),体现了氧化锌纳米片在气敏方面的优越性。而且,Zn0400对乙醇的选择性明显提高,且响应和恢复速度也非常快(17s/6s),是一种有发展前景的传感器材料。2.利用MOF模板合成Au@MOF-5,通过控制煅烧条件得到三种不同结构的Au@ZnO核壳纳米材料。同时,利用MOF-5晶体制备ZnO中空纳米球。通过XRD,SEM,TEM,TGA,XPS和UV-vis DRS等技术对这些材料进行表征分析,并将这四种材料的气敏性能进行对比,研究核壳结构(yolk-shell)和贵金属(Au)对气敏性能的影响。在350℃下煅烧Au@MOF-5前驱体,可以得到结构完整的yolk-shell结构(S350),对丙酮展现出最优的气敏性能。S350对10 ppm丙酮的气敏响应为43,响应和恢复时间也是极快的(15s/12s)。S350传感器在低浓度的丙酮气氛中,气敏响应与浓度有很好的线性关系,最低的检测浓度低达50 ppb,说明该传感器适用于低浓度丙酮的检测。
【关键词】：氧化锌 气体传感器 纳米片 核壳纳米结构 金
【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】：TQ132.41;TB381
【目录】：

• 学位论文数据集3-4
• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 第一章 绪论13-31
• 1.1 氧化锌纳米材料和纳米传感器13-17
• 1.1.1 氧化锌纳米材料及其气敏性能13-14
• 1.1.2 ZnO纳米传感器的应用14-17
• 1.2 氧化锌纳米材料气敏性性能的改善方法17-21
• 1.2.1 通过形貌调控改善气敏性能17-18
• 1.2.2 通过过渡金属掺杂改善气敏性能18-19
• 1.2.3 通过贵金属负载改善气敏性能19-21
• 1.3 二维纳米材料及其应用21-23
• 1.3.1 二维纳米材料的研究进展21-22
• 1.3.2 二维纳米材料的应用22-23
• 1.4 贵金属@氧化物核壳材料23-28
• 1.4.1 贵金属@氧化物核壳纳米材料的制备方法23-27
• 1.4.2 贵金属@氧化物核壳纳米材料的气敏性能27-28
• 1.5 本论文研究的目的、意义和主要内容28-31
• 1.5.1 研究目的和意义28-29
• 1.5.2 研究的主要内容29-31
• 第二章 氧化锌纳米片可控合成及其气敏性能31-49
• 2.1 引言31-32
• 2.2 实验部分32-36
• 2.2.1 实验试剂32
• 2.2.2 实验仪器32
• 2.2.3 氧化锌纳米片的制备32-34
• 2.2.4 纳米片结构和性能表征技术34-35
• 2.2.5 氧化锌纳米片气敏性能测试测试35-36
• 2.3 结果与讨论36-48
• 2.3.1 实验条件对纳米片结构的影响36-40
• 2.3.2 氧化锌纳米片的结构分析40-44
• 2.3.3 氧化锌纳米片的气敏性能44-47
• 2.3.4 氧化锌纳米片对乙醇的气敏机理47-48
• 2.4 本章小结48-49
• 第三章 MOF为模板合成Au@ZnO壳材料及其气敏性能研究49-71
• 3.1 引言49-50
• 3.2 实验部分50-53
• 3.2.1 实验试剂50-51
• 3.2.2 实验仪器51
• 3.2.3 Au@ZnO核壳纳米材料的制备51-52
• 3.2.4 Au@ZnO核壳纳米粒子的表征技术52
• 3.2.5 Au@ZnO核壳纳米粒子的气敏性能测试52-53
• 3.3 结果与讨论53-70
• 3.3.1 实验条件对Au@MOF-5结构的影响53-58
• 3.3.2 核壳纳米粒子的结构分析58-64
• 3.3.3 Au@ZnO核壳纳米粒子的气敏性能64-69
• 3.3.4 Au@ZnO核壳纳米粒子的气敏机理69-70
• 3.4 本章小结70-71
• 第四章 结论71-73
• 参考文献73-81
• 致谢81-83
• 研究成果及发表的学术论文83-85
• 作者和导师简介85-86
• 附件86-87

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