负载贵金属的多孔金属氧化物对有机毒性气体的气敏性能研究

发布时间：2020-08-13 13:25

【摘要】：金属氧化物气敏材料具有灵敏高、成本低和使用寿命长等优点,广泛应用于生产和生活相关的各个领域。其中,以CuO、ZnO、Fe_2O_3、Co_3O_4和NiO为代表的金属氧化物常被用作气敏材料来构造气体传感器。现阶段,在气敏材料研究领域,需要一种具有高普适性的合成方法和性能提升手段,来给高性能气敏材料的制备提供方向。本文结合国内外气敏材料的研究现状,认为通过构建分级多孔结构能够最大限度地发挥材料自身结构的优势,同时水热法负载贵金属也能进一步提升对有机毒性气体的探测能力。基于此,本文采用水热法制备出具有分级结构的碱式碳酸盐、氢氧化物和水合物,通过高温煅烧构造出具有分级多孔结构的金属氧化物。同时,采用水热法进行贵金属负载,并对负载前后的各项气敏性能指标进行测试。系统地研究了分级多孔结构、负载贵金属类型、贵金属负载方法、前驱体类型等对金属氧化物材料气敏性能的影响,探讨了氧化物负载前后的气敏机理。主要研究工作如下:(1)采用水热和煅烧相结合的方法制备出了具有分级多孔结构的CuO,并对CuO进行了Au负载。研究了CuO和CuO/Au的成分、结构、形貌和多孔特征,对材料各项气体探测指标进行测试。测试结果显示,分级结构能有效提升材料的比表面积,多孔结构提供了更多的气体通道,有利于待测气体的传输和接触。实验表明,贵金属负载材料能够极大地提升对有机毒性气体的灵敏度,降低响应恢复时间;(2)采用水热和煅烧结合的方法制备出了由多孔纳米片组成的ZnO花状结构,并利用水热法和光照浸渍法制备出负载了Au和Pt的复合材料。热重分析结果证明,多孔结构源自于前驱体的受热分解。经气敏性能测试,由于水热法为负载反应提供了恒定的高温和适当的高压,因此采用水热法负载的复合材料在各项气敏性能指标上表现更好;ZnO/Au复合材料比ZnO/Pt复合材料具有更好的有机毒性气体探测能力;(3)采用水热和煅烧结合的方法制备了形貌不同、比表面积相似的三种铁系金属氧化物Fe_2O_3、Co_3O_4和NiO。热重结果表明,不同的前驱体类型带来了不同的平均孔径。其中由于Co_3O_4的前驱体是碱式碳酸钴,受热质量损失最多,因而孔径最大。气敏测试结果表明,三种铁系金属氧化对常见有机毒性气体均有明显响应,而Co_3O_4表现最好。这种具有独特结构的金属氧化物能够抵御湿度和光照的干扰,具备连续检测的能力;(4)比较了贵金属负载前后材料的气敏机理。贵金属复合材料能够加剧材料表面与待测气体的物理化学反应,加速了材料内部电子的转移。贵金属粒子作为反应活化中心,降低了气敏反应所需能量,进而表现出对有机毒性气体更为优异的探测性能。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34;X701
【图文】：

气体传感器,接触燃烧式,电化学式,金属氧化物半导体

1.1 （a）接触燃烧式气体传感器；（b）电化学式气体传感器；（c）红外气体分析仪（d）金属氧化物半导体气体传感器ig.1.1 （a）Contact combustion type gas sensor（;b）Electrochemical type gas sensor（;c）Infratype gas analyzer;（d）Metal oxide semiconductor gas sensor.2 气体传感器概述在国家相关标准中对传感器有着明确的定义，传感器是能感受被规定元素照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置[34]。因此，气体传感器便可据这个定义，理解为是一种用来探测特定气体浓度和成分的一种测量装置。在实际应用过程中会有不同的分类方法，但是不论其检测机理是基于物理反是化学反应，只要该装置能够对环境气氛的变化加以识别，均可以认为是气感器。

气体传感器,电化学式,气敏电极,气体扩散电极

图 1.2 气体传感器的分类Fig.1.2 The classification of gas sensors电化学式气体传感器以气敏电极或气体扩散电极为核心测试部件，其测试是空气中一些具有可溶性的气体如 SO2、CO2、HCl 等，当接触到由固体电构造的电极材料时会发生电化学反应。而这种变化就会引起测试电路中电信改变[35-37]。但是这种气体传感器常需通过高温加热来提高电极材料的电导此必须配备加热装置。接触燃烧式气体传感器能够对可燃气体进行探测，在类型上包括直接接触催化接触式[38-39]。它的测试原理主要是由于气敏材料在有电流通过时，可燃会在催化剂的作用下发生燃烧，而燃烧放出的热量会使金属丝升温，进而引阻改变，这种加热丝阻值的变化就可以通过计算得出环境中气体成分的改种气体传感器的最大优势就在于对 CO、CH4等气体具有高选择性，不会由

半导体气体传感器,烧结型,薄膜型,气体传感器

（a）厚膜型半导体气体传感器；（b）薄膜型半导体气体传感器；（c）直热型半导体气体传感器；（d）旁热式烧结型半导体气体传感器（a）Thick film type semiconductor gas sensor;（b）Thin film type semicondc）Directly heated sintered type semiconductor gas sensor;（d）Side heated sinsemiconductor gas sensor气敏元件测试系统的构造验室中对有机毒性气体的检测均是在静态条件下完成的，主要通过系统来加以实现。一般地，气敏元件测试系统主要由气敏元件测试测试卡、负载卡、配气箱、蒸发台、风机、微量进样器、进样阀门脑等几个部分组成。在测试前，首先根据待测气体浓度、配气箱体公式计算出各有机毒性气体水溶液所需的对应体积，并提前 10 s

【参考文献】