Bi基多元金属氧化物的制备及其气敏性能研究
发布时间：2020-07-09 20:12
【摘要】：工业发展带来的废气污染问题日益严峻,因此高性能气敏传感器的研发对废气排放的实时监测至关重要。在众多的气敏传感器中,金属氧化物基气敏传感器因诸多优点受到研究者广泛关注。经过多年发展,一元半导体金属氧化物的响应值得到了较大的提升,但选择性差等固有弊端制约其进一步应用。相较于一元金属氧化物,二元金属氧化物具有更加丰富的结构类型和物理化学性质。近来二元金属氧化物半导体在气敏传感器领域受到广泛关注。作为二元金属氧化物的典型代表BiVO4和CuBi204因其特殊的结构已被成功应用于光催化水分解和有机染料降解等领域。材料的气敏性能同样与其表面状态和载流子传输息息相关,因而BiV04和CuBi2O4被认为是潜在的气敏材料。目前关于二者气敏性能的研究尚处于起始阶段,仍存在众多待解决的问题,为此我们围绕这两种材料展开以下研究:(1)采用共沉淀法制备多面体形貌的单斜相BiV04颗粒,发现其在75℃下对H2S气体具有良好的选择性,通过Mo6+掺杂进一步提升其气敏性能。进一步的XRD及XPS表征分析发现,适当的Mo6+掺杂会改变单斜相结构的稳定性,从而增加氧空位的浓度,提升样品表面的活性位点,因而优化了 Mo6+掺杂BiV04颗粒的气敏性能。(2)借助简单的液相激光烧蚀,优化了 BiVO4颗粒的形貌,改变其结晶性,增加氧空位浓度,从而提升了其对H2S气体的响应能力。液相激光烧蚀后的BiV04颗粒形貌由多面体转化为球形,并通过改变激光能量来调控其粒径大小。通过XPS表征发现,100 mJ激光处理后的BiVO4颗粒其氧空位浓度增幅最大,进一步测试也表明其气敏性能最优。(3)采用共沉淀法制备CuBi2O4粉末,并通过改变反应过程中溶剂的比例以及NaOH浓度来调控其形貌和缺陷浓度进而优化其气敏性能。此外,为优化样品的结晶性以及增加氧空位浓度,采用不同能量的532 nm波长激光烧蚀样品,进一步优化样品的结晶性和提升其氧空位浓度。通过XPS表征发现,100 mJ激光烧蚀后的CuBi204其氧空位浓度增幅最大,气敏测试结果表明该样品对乙醇气体的响应明显优于其他样品。
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212;O611.62
【图文】：
因为吸附氧的存在，在晶界处会形成接触势垒，也就是所谓的高阻Ｒ，其能＇逡逑带示意图如图１－２⑻所示。而当敏感材料置于还原性气氛Ｃ０中时，ＣＯ邋４吸附氧逡逑发生氧化还原反应，产卞Ｈｉ邋ｆ，接触势垒降低，也就是电阻降低，反应后的能带逡逑承意图如图ｌ－２（ｂ）所示Ｍ。如果Ｈ邋ｆ氧化性气氛中，会继续消耗电子势垒增加电阻逡逑增大。Ｐ型半导体与之相反。逡逑（３）等效电路模型逡逑把气敏传感过程中材料晶粒表面的一些物理化学变化的过程和电子的传输逡逑相结合，建４一种等效电路模型来进？步阐释其气敏机理。Ｎ型半导体金属氧化逡逑物，在和空气中的氧气反应的过程中，表面失去电子，因为其流子为电子，表逡逑面失去电子电阻较高，而内部核心位置相对电阻就较低。在进？步和探测Ａ（休反逡逑应的过程中，主要的电阻变化发生在敏感材料的表面位置，Ｎ甩＇卜Ｗ＊？体Ｍ料农Ｉｆｌｌ＇逡逑的电阻较大，囡而其在反应过程中对整个的电路体系影响就较大。相反的Ｐ型＇卜逡逑导体
逦ｓｕｒｆａｃｅ逦ｇａｓ邋逦？逡逑图１－１邋（ａ）邋ｎ型半导体表面存在化学吸附氧后能带变化示意图Ｉ２％邋（ｂ）邋ｎ型半导体暴露在Ｈ：Ｓ气逡逑氛前后空间电荷层变化示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋（ａ）邋Ｂａｎｄ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｎ－ｔ＼ｐｃ邋ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ邋ｍｅｔａｌ邋ｏｘｉｄｅ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ａｆｔｅｒ邋ｃｈｅｍｉｓｏｒｐｔｉｏｎ邋ｏｆ逡逑ｏ＼＼邋ｇｃｎ；邋Ｉ２４＊邋（ｂ）邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ邋ｆｏｒ邋Ｈ：Ｓ邋ｇａｓ邋ｓｅｎｓｉｎｇ逡逑（２）晶界势垒模型逡逑半导体敏感材料多为多晶体，影响其敏感行为的不仅有单个晶粒的吸附／脱附，逡逑还有晶界的影响。尤其是当晶粒本身的电阻很小，敏感材料１邋ｊ探测气体反应所产逡逑也的电阻变化丨？：要由晶界电阻所决定Ａ。当ｎ型半导体作为敏感材料暴露在空气中逡逑时，因为吸附氧的存在，在晶界处会形成接触势垒，也就是所谓的高阻Ｒ，其能＇逡逑带示意图如图１－２⑻所示。而当敏感材料置于还原性气氛Ｃ０中时，ＣＯ邋４吸附氧逡逑发生氧化还原反应，产卞Ｈｉ邋ｆ，接触势垒降低，也就是电阻降低，反应后的能带逡逑承意图如图ｌ－２（ｂ）所示Ｍ。如果Ｈ邋ｆ氧化性气氛中，会继续消耗电子势垒增加电阻逡逑增大。Ｐ型半导体与之相反。逡逑（３）等效电路模型逡逑把气敏传感过程中材料晶粒表面的一些物理化学变化的过程和电子的传输逡逑相结合，建４一种等效电路模型来进？步阐释其气敏机理。Ｎ型半导体金属氧化逡逑物
进行元素掺杂来调节其缺陷和载流子浓度，提升其对ＣＯ、乙醇、丙酮等气体的响逡逑应［Ｘ１３４ｌ。Ｚ．邋Ｆ．邋Ｄａｉ［３５ｌ等人通过模板法合成了多孔的ＬａＦｅＣｈ薄膜，发现相较于Ｆｅ２0３逡逑薄膜气敏性能有较大提升。如图１－５所示。作者认为，所制备的Ｆｅ２Ｃｈ和ＬａＦｅＣｂ逡逑其形貌、晶粒尺寸、薄膜厚度都十分相近，造成其性能差异的原因可能是Ｆｅ２０３逡逑和ＬａＦｅＯ．；表面的酸碱状态和活性位点数不同。在酸性条件下，乙醇容易转化为逡逑Ｃ２Ｈ４而在中性条件下乙醇容易转化为ＣＨ．ＣＨＯ，邋ＣＨＣＨＯ的活性更高，更容易转逡逑化为（：０２和Ｈ２０，所以导致了中性氧化物ＬａＦｅＣｂ和乙醇气体反应前后电阻变化较逡逑大
本文编号：2747925
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212;O611.62
【图文】：
因为吸附氧的存在，在晶界处会形成接触势垒，也就是所谓的高阻Ｒ，其能＇逡逑带示意图如图１－２⑻所示。而当敏感材料置于还原性气氛Ｃ０中时，ＣＯ邋４吸附氧逡逑发生氧化还原反应，产卞Ｈｉ邋ｆ，接触势垒降低，也就是电阻降低，反应后的能带逡逑承意图如图ｌ－２（ｂ）所示Ｍ。如果Ｈ邋ｆ氧化性气氛中，会继续消耗电子势垒增加电阻逡逑增大。Ｐ型半导体与之相反。逡逑（３）等效电路模型逡逑把气敏传感过程中材料晶粒表面的一些物理化学变化的过程和电子的传输逡逑相结合，建４一种等效电路模型来进？步阐释其气敏机理。Ｎ型半导体金属氧化逡逑物，在和空气中的氧气反应的过程中，表面失去电子，因为其流子为电子，表逡逑面失去电子电阻较高，而内部核心位置相对电阻就较低。在进？步和探测Ａ（休反逡逑应的过程中，主要的电阻变化发生在敏感材料的表面位置，Ｎ甩＇卜Ｗ＊？体Ｍ料农Ｉｆｌｌ＇逡逑的电阻较大，囡而其在反应过程中对整个的电路体系影响就较大。相反的Ｐ型＇卜逡逑导体
逦ｓｕｒｆａｃｅ逦ｇａｓ邋逦？逡逑图１－１邋（ａ）邋ｎ型半导体表面存在化学吸附氧后能带变化示意图Ｉ２％邋（ｂ）邋ｎ型半导体暴露在Ｈ：Ｓ气逡逑氛前后空间电荷层变化示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋（ａ）邋Ｂａｎｄ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｎ－ｔ＼ｐｃ邋ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ邋ｍｅｔａｌ邋ｏｘｉｄｅ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ａｆｔｅｒ邋ｃｈｅｍｉｓｏｒｐｔｉｏｎ邋ｏｆ逡逑ｏ＼＼邋ｇｃｎ；邋Ｉ２４＊邋（ｂ）邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ邋ｆｏｒ邋Ｈ：Ｓ邋ｇａｓ邋ｓｅｎｓｉｎｇ逡逑（２）晶界势垒模型逡逑半导体敏感材料多为多晶体，影响其敏感行为的不仅有单个晶粒的吸附／脱附，逡逑还有晶界的影响。尤其是当晶粒本身的电阻很小，敏感材料１邋ｊ探测气体反应所产逡逑也的电阻变化丨？：要由晶界电阻所决定Ａ。当ｎ型半导体作为敏感材料暴露在空气中逡逑时，因为吸附氧的存在，在晶界处会形成接触势垒，也就是所谓的高阻Ｒ，其能＇逡逑带示意图如图１－２⑻所示。而当敏感材料置于还原性气氛Ｃ０中时，ＣＯ邋４吸附氧逡逑发生氧化还原反应，产卞Ｈｉ邋ｆ，接触势垒降低，也就是电阻降低，反应后的能带逡逑承意图如图ｌ－２（ｂ）所示Ｍ。如果Ｈ邋ｆ氧化性气氛中，会继续消耗电子势垒增加电阻逡逑增大。Ｐ型半导体与之相反。逡逑（３）等效电路模型逡逑把气敏传感过程中材料晶粒表面的一些物理化学变化的过程和电子的传输逡逑相结合，建４一种等效电路模型来进？步阐释其气敏机理。Ｎ型半导体金属氧化逡逑物
进行元素掺杂来调节其缺陷和载流子浓度，提升其对ＣＯ、乙醇、丙酮等气体的响逡逑应［Ｘ１３４ｌ。Ｚ．邋Ｆ．邋Ｄａｉ［３５ｌ等人通过模板法合成了多孔的ＬａＦｅＣｈ薄膜，发现相较于Ｆｅ２0３逡逑薄膜气敏性能有较大提升。如图１－５所示。作者认为，所制备的Ｆｅ２Ｃｈ和ＬａＦｅＣｂ逡逑其形貌、晶粒尺寸、薄膜厚度都十分相近，造成其性能差异的原因可能是Ｆｅ２０３逡逑和ＬａＦｅＯ．；表面的酸碱状态和活性位点数不同。在酸性条件下，乙醇容易转化为逡逑Ｃ２Ｈ４而在中性条件下乙醇容易转化为ＣＨ．ＣＨＯ，邋ＣＨＣＨＯ的活性更高，更容易转逡逑化为（：０２和Ｈ２０，所以导致了中性氧化物ＬａＦｅＣｂ和乙醇气体反应前后电阻变化较逡逑大
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 陈长伦,何建波,刘伟,刘锦淮;电化学式气体传感器的研究进展[J];传感器世界;2004年04期
本文编号：2747925
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