α-Fe_2O_3@SnO_2核壳纳米管异质结构的制备及其气敏性能研究

发布时间：2017-03-23 21:01

  本文关键词：α-Fe_2O_3@SnO_2核壳纳米管异质结构的制备及其气敏性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：三氧化二铁(a-Fe2O3)和二氧化锡(SnO2),归功于其本身具有的各项独特性质,在传感、能源、环境等领域得到广泛的开发研究。具体到气敏研究领域,这两类材料由于其自身独特性质,一直受到研究人员的关注。在近些年来,基于这两类材料的气敏器件得到大量研究。通过对材料结构和形貌的调控,研究人员详细探讨了器件的气敏性能的变化。然而随着科技进一步发展,人们对气敏器件的性能指标提出了更高的要求。传统采用的形貌调节等手段很难实现新的目标。基于以上背景,研究人员提出全新思路,通过将不同材料的复合,利用不同材料之间的协同作用,如异质结势垒的变化,实现气敏器件性能的大幅度改善。在这种思想指导下,多种以α-Fe2O3/SnO2复合材料氧化物作为敏感材料的气敏器件被开发。通过详细对比研究,研究人员发现复合材料中,材料的形貌和结构体现出与单体材料有所不同的性质。因此,为了进一步研究分析此类复合材料的气敏性能并进一步加以改善,有必要采用较为温和简单的手段获取不同结构和形貌的α-Fe2O3/SnO2复合气敏材料。基于上述研究背景,我们首次制备获得α-Fe2O3@SnO2核壳异质结纳米管并作为敏感材料制作旁热式气敏元件,研究了该传感器对丙酮气体的敏感特性。本文中我们采用多次水热的方法制备了异质结α-Fe2O3@SnO2核壳纳米管。首先水热制备出α-Fe2O3纳米管,离心分离干燥获得纯α-Fe2O3纳米管样品后,再次采用水热法在α-Fe2O3纳米管外部沉积一层SnO2纳米颗粒层,从而形成α-Fe2O3@SnO2核壳纳米管异质结构。该α-Fe2O3@SnO2复合材料表现出非常优异的气敏性能。对比纯的α-Fe2O3纳米管和SnO2纳米颗粒,这种异质结纳米管对丙酮表现出了非常优异的气敏性能。在300℃的温度下,该复合材料对100 ppm丙酮浓度的灵敏度高达33.4。该种材料具有很快的响应速率和恢复速率,同时也表现出了优异的气体选择性。我们基于该复合材料制作的气敏元件分别对10ppm,50ppm,100 ppm浓度的丙酮进行了3个暂态实验测试,每个暂态测试持续4个循环,发现该元件表现出优秀的稳定性和重复性。同时,我们还对器件在一个月内对100 ppm的丙酮长期气敏性能的稳定性进行测试,结果显示该材料具有优异的气敏稳定性。这也是材料未来进一步实用化的重要基础。除了多孔结构和管状结构有利于气体的吸附和传输外,异质结的势垒高度在不同气氛中的变化可能是α-Fe2O3@SnO2复合氧化物传感性能提升的主要原因。通过系统研究α-Fe2O3@SnO2核壳异质结纳米管的结构、组份、尺寸对材料气敏性能的影响,辅以对实验数据的分析总结,初步对此类二元复合异质结气敏材料的机理、性能进行了研究分析。
【关键词】：α-Fe_2O_3@SnO_2复合材料 异质结构 纳米管 气体传感器
【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O611.4;TP212
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 第1章 绪论10-26
• 1.1 引言10-11
• 1.2 气体传感器简介11-17
• 1.2.1 气体传感器的发展历史11
• 1.2.2 气体传感器的分类及性能11-17
• 1.3 金属氧化物半导体材料在气体传感器中的应用17-24
• 1.3.1 常见的金属氧化物半导体敏感材料17-19
• 1.3.2 金属氧化物半导体气体传感的研究背景及其研究方法意义19-24
• 1.4 选题依据和研究内容24
• 1.5 本章小结24-26
• 第2章 α-Fe_2O_3@SnO_2核壳纳米管异质结构的合成及其气体传感性能研究26-43
• 2.1 引言26
• 2.2 实验部分26-30
• 2.2.1 实验药品与实验仪器26-27
• 2.2.2 敏感材料的制备27-28
• 2.2.3 表征与气敏元件的制作及其性能测试28-30
• 2.3 结果讨论30-42
• 2.3.1 敏感材料的形貌结构表征30-36
• 2.3.2 α-Fe_2O_3@SnO_2的气敏性能测试及讨论36-42
• 2.4 本章小结42-43
• 第3章 总结与展望43-45
• 3.1 工作总结43
• 3.2 展望43-45
• 参考文献45-53
• 在学期间发表的学术论文及研究成果53-54
• 致谢54

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