几种金属氧化物的水溶液生长法制备及其气敏性能研究
发布时间：2020-09-09 13:17
金属氧化物半导体材料由于其体积小、制作成本低和性能良好等特点被广泛应用到各个领域中,尤其是气体传感器方面。作为实现气体传感功能的核心部分,进一步开发与研究新型金属氧化物气敏材料对气体传感器的发展具有极其重要的意义。目前为止,大多数具有优越气敏性能的金属氧化物材料仍存在制备工艺复杂、原料昂贵和能耗大等问题,这就需要我们对合成技术进行不断的改进和优化,克服以上问题。本文主要通过水溶液生长法,以水作为唯一溶剂,将绿色环保作为宗旨,设计出具有特殊微观形貌的三种金属氧化物材料:Co_3O_4、In_2O_3和MnO_2,对其进行气敏性能研究,并取得了令人满意的结果。从而实现了材料制备的高效化与优异性能相结合。具体主要研究内容如下:(1)利用化学水浴沉积,在90℃下能在玻璃基底上沉积得到关于钴的前驱体,将前驱体热处理后得到具有纳米花状结构的Co_3O_4材料,晶粒大小约为12 nm。通过改变钴盐种类和水浴加热时间,会导致Co_3O_4产物的微观形貌、孔径大小和气敏性能产生差异。气敏测试结果表明,以醋酸钴作为钴源,水浴加热9h条件下所制得的Co_3O_4气敏材料对乙醇气体拥有最高的响应值,为1185%(200℃@100 ppm),并拥有良好的响应-恢复时间和稳定性能。(2)首先通过静电纺丝法制备并改性后得到带有-OH的偕胺肟化PAN纳米纤维膜,然后以该纳米纤维膜作为反应基底,利用化学水浴沉积在纤维膜上得到关于钴的前驱体产物并进行热处理,得到具有双层形貌结构的Co_3O_4材料:上层为众多纳米花堆叠而成的珊瑚状结构,下层由中空纳米纤维网和分散的纳米花连接而成。XRD、XPS和EDS结果表明,有机物在热处理后被完全碳化,最终产物为纯净的Co_3O_4。气敏测试结果表明,在热处理500℃下制得的Co_3O_4材料具有更好的气敏性能,对于乙醇的响应值能达到1088%(230℃@100 ppm),且具有极好的响应-恢复时间和稳定性。(3)以硝酸铟作为原材料,利用化学水浴沉积直接获得关于铟的前驱体粉末,经热处理后得到方块状In_2O_3材料。该材料拥有较大的比表面积和理想的介孔结构,从而有助有材料的气敏性能的提升,在60℃工作温度下对NO_2气体的响应值达到384(10 ppm),即使在超低浓度下(500 ppb),也有不俗的响应效果。(4)利用水热法大规模制备出α型的MnO_2纳米棒材料,制得的纳米棒生长良好、形貌均一,纳米棒的直径在50-60 nm范围内,长度为0.5-1.5μm。气敏测试结果显示,发现该材料对比于传统MnO_2材料对乙醇气体有较好的传感效果,响应值能达到1.53(200℃@100 ppm)。并且具有良好的稳定性和重复性。这三种材料的成功制备填补了水溶液生长法制备金属氧化物应用于气体传感器的空缺,为日后的研究打下了坚实的基础。
【学位单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O611.62
【部分图文】：
图 1.1 电阻型半导体气体传感器： (a)结构示意图；(b)典型响应曲线在众多半导体材料中，金属氧化物为最常用的气敏材料。根据载流子类型，可属氧化物半导体材料分为 p 型和 n 型两种，常见的 p 型半导体材料有：Co3O、MnO2、NiO 和 Cr2O3等；n 型材料有：ZnO、In2O3、TiO2、WO3和 SnO2等。随着技术的发展，还合成出了不同元素组成的单相金属氧化物材料；如nO4[6]和 BiFeO3[7]；还有把不同相的两种金属氧化物进行复合，如：NiO/ZnO[8少量的贵金属到金属氧化物中，如 Pd/ZnO[9]。其最终目的都是为了增强材料的能。相比于 p 型气敏材料，n 型气敏材料由于具有较好的气敏性能被研究得更多，特nO[10, 11]和 SnO2[12, 13]这两种半导体材料。因此，p 型气敏材料仍存有很大的发展需要我们不断深入探究。虽然金属氧化物半导体气体传感器已被大家所接受并广泛应用到各个领域中，
几种金属氧化物的水溶液生长法制备及其气敏性能研究材料表面，使其气敏性能更加优越。Franke[14]等人研究证明了气体传感器的传感效果随纳米颗粒尺寸的减小而增强，尤其当颗粒尺寸小于两倍的德拜长度时，气体传感器的灵敏度会有明显的提高。而比表面积的大小取决于材料本身的微观结构。目前大量的研究人员正致力于合成出具有特殊形貌的气敏材料，尤其是利用自组装合成得到具有低维结构的纳米级气敏材料。把它们投入到气体传感的应用上，都取得了非常好的效果[15-19]。Qu[18]等人利用金属-有机物作为模板 (MOFs，metal-Organic framework) 制备出中空核-壳纳米笼结构(hollow core-shell nanocages)。材料为 ZnO 与 ZnCoO4的复合物，该材料的比表面积达到 113.2 m2/g，能对有害气体二甲苯进行检测，响应值达到 35(320 ℃@100 ppm)。图 1.2(a)、(b)和(c)为该材料的 SEM 和 TEM 图像。
图 1.3 SnO2@rGO 材料： (a)和(b) TEM 图像；(c)不同种类气体的响应情况图 1.4 十二面体 Co3O4多孔纳米材料：(a) SEM 图像；(b) (c) TEM 图像大量参考文献表明，对于气敏材料的设计，需要同时关注材料的比表面积和材料内部颗粒间的堆积情况，使它们相互协同，进而达到提高气敏性能的目的。
本文编号：2815020
【学位单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O611.62
【部分图文】：
图 1.1 电阻型半导体气体传感器： (a)结构示意图；(b)典型响应曲线在众多半导体材料中，金属氧化物为最常用的气敏材料。根据载流子类型，可属氧化物半导体材料分为 p 型和 n 型两种，常见的 p 型半导体材料有：Co3O、MnO2、NiO 和 Cr2O3等；n 型材料有：ZnO、In2O3、TiO2、WO3和 SnO2等。随着技术的发展，还合成出了不同元素组成的单相金属氧化物材料；如nO4[6]和 BiFeO3[7]；还有把不同相的两种金属氧化物进行复合，如：NiO/ZnO[8少量的贵金属到金属氧化物中，如 Pd/ZnO[9]。其最终目的都是为了增强材料的能。相比于 p 型气敏材料，n 型气敏材料由于具有较好的气敏性能被研究得更多，特nO[10, 11]和 SnO2[12, 13]这两种半导体材料。因此，p 型气敏材料仍存有很大的发展需要我们不断深入探究。虽然金属氧化物半导体气体传感器已被大家所接受并广泛应用到各个领域中，
几种金属氧化物的水溶液生长法制备及其气敏性能研究材料表面，使其气敏性能更加优越。Franke[14]等人研究证明了气体传感器的传感效果随纳米颗粒尺寸的减小而增强，尤其当颗粒尺寸小于两倍的德拜长度时，气体传感器的灵敏度会有明显的提高。而比表面积的大小取决于材料本身的微观结构。目前大量的研究人员正致力于合成出具有特殊形貌的气敏材料，尤其是利用自组装合成得到具有低维结构的纳米级气敏材料。把它们投入到气体传感的应用上，都取得了非常好的效果[15-19]。Qu[18]等人利用金属-有机物作为模板 (MOFs，metal-Organic framework) 制备出中空核-壳纳米笼结构(hollow core-shell nanocages)。材料为 ZnO 与 ZnCoO4的复合物，该材料的比表面积达到 113.2 m2/g，能对有害气体二甲苯进行检测，响应值达到 35(320 ℃@100 ppm)。图 1.2(a)、(b)和(c)为该材料的 SEM 和 TEM 图像。
图 1.3 SnO2@rGO 材料： (a)和(b) TEM 图像；(c)不同种类气体的响应情况图 1.4 十二面体 Co3O4多孔纳米材料：(a) SEM 图像；(b) (c) TEM 图像大量参考文献表明，对于气敏材料的设计，需要同时关注材料的比表面积和材料内部颗粒间的堆积情况，使它们相互协同，进而达到提高气敏性能的目的。
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 张宝宏,张娜;纳米MnO_2超级电容器的研究[J];物理化学学报;2003年03期
本文编号：2815020
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxue/2815020.html
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