基于氧化物半导体的甲醛气体传感器制备及气敏性能研究

发布时间：2017-04-11 09:11

  本文关键词：基于氧化物半导体的甲醛气体传感器制备及气敏性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：作为一种常见的挥发性有机化合物,甲醛是其中一种能引起人类健康隐患的并且被认定为最主要的病态建筑物综合征(SBS)的气体。SBS的主要来自于化学,生物污染物或者通风不足,都可能造成该种疾病的产生。平常生活中所见的木头,地毯,塑料产品等都会释放甲醛。作为一种危害气体,人们对其浓度有严格的限制。世界卫生组织(WHO)要求甲醛的排放量30 min内不得超过0.08 ppm,美国国家职业安全与健康研究所(NOISH)限制长期排放量浓度不得超过0.016ppm。本文通过制备甲醛传感器,以此来检测周围环境中气体的浓度,期望能够为我们所生活的大气环境尽自己的绵薄之力。在第二章,通过溶剂热法合成了Zn@Sn O2三维花状结构,并研究了Zn元素的掺杂对甲醛气体敏感特性的影响,结果表明,将Zn元素引入纯Sn O2后,构造特殊结构的纳米材料,使得器件在气敏性能上有了显著的提高,可能是因为由Zn掺杂引入导致的氧空位的增多和纳米片构成的3D花状结构宽大的表面积使得气体敏感催化活性增强。器件工作温度为160°C时,对于浓度100 ppm的甲醛,响应值为15.2;响应恢复时间皆为2 s,远快于纯材料;检测浓度范围可达1-2000 ppm;灵敏度随着浓度的变化曲线有着良好的线性;掺杂材料的传感器对于甲醛气体的选择性相较纯材料而言明显更为有效,选择性优良。此外,所制备的具有规则形貌的三维花状结构,直径尺寸为7 0.5μm,构成花型的纳米片厚度为80 5 nm。在第三章采用一步溶剂热法合成了纯Sn O2材料和Cu@Sn O2三维球状结构,制成旁热式器件,并探究了两者对甲醛气体的敏感特性,研究表明:Cu@Sn O2材料对1000 ppm的甲醛响应恢复时间皆为2 s;在10-1000 ppm甲醛浓度范围内,灵敏度随着浓度的变化曲线有着良好的线性,当浓度继续升高至1000 ppm,才达到饱和;230°C下传感器对200 ppm甲醛气体的响应随湿度从11-95 RH%的升高而减小(吸附过程),当湿度从95降低至11RH%(脱附过程),传感器的灵敏度增大,最大的湿滞值小于1%,显示出对敏感材料良好的可靠性;Cu@Sn O2三维球状结构,横向尺寸范围是1.3 0.2μm,径向尺寸是15 2 nm;纯Sn O2的直径尺寸为2 0.3μm,构成花型的纳米片厚度为25 3 nm。尺寸更小的掺杂材料可能是使得响应提升的原因之一;传感器Cu@Sn O2对200 ppm甲醛的灵敏度为81.48,远高于相同浓度下SO2,C6H6,C2H6O,NH3,C8H10,C3H6O,C2H2等气体的响应(1.961-25.926);对于纯Sn O2材料来说,对甲醛气体的灵敏度为56.52,对其他气体的响应值低于前者,范围在0.99-14.53。掺杂的三维球状结构表现出对甲醛更高的选择性。第四章采用溶剂热法合成了纯Sn O2和La@Sn O2复合纳米微球传感器,结果表明:规则形貌的La@Sn O2复合纳米微球,直径尺寸范围为2.5 0.3μm;传感器La@Sn O2具备良好的气敏性能,对1000 ppm的甲醛分子响应恢复时间皆快于Sn O2;230°C时,前者对常见挥发气体SO2,NH3?H2O,C8H10,C6H6,C2H6O,C3H6O的横向响应远低于HCHO,对比传感器Sn O2,灵敏度和选择性更佳,适宜探测低浓度甲醛。
【关键词】：甲醛 多孔结构 掺杂 纳米材料 气体传感器
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-18
• 1.1 引言11
• 1.2 纳米材料简介11-14
• 1.3 气体传感器14-17
• 1.4 本论文意义和主要工作17-18
• 第二章 花状Zn@SnO_2甲醛传感器的制备及气敏性能研究18-30
• 2.1 序言18
• 2.2 实验部分18-20
• 2.2.1 实验药品18
• 2.2.2 实验仪器18-19
• 2.2.3 主要表征手段19
• 2.2.4 气敏元件的制作19-20
• 2.2.5 气敏性能的测试20
• 2.3 结果与讨论20-28
• 2.3.1 Zn@SnO_2三维花状结构的制备20-21
• 2.3.2 Zn@SnO_2三维花状结构的表征21-23
• 2.3.3 Zn@SnO_2三维花状结构的气敏性能23-28
• 2.4 小结28-30
• 第三章 三维球状Cu@SnO_2甲醛传感器的制备及气敏性能研究30-42
• 3.1 序言30
• 3.2 实验部分30-31
• 3.2.1 实验药品30
• 3.2.2 实验仪器30-31
• 3.2.3 主要表征手段31
• 3.2.4 气敏元件的制作31
• 3.2.5 气敏性能的测试31
• 3.3 结果与讨论31-40
• 3.3.1 Cu@SnO_2三维球状结构的制备31-32
• 3.3.2 Cu @SnO_2三维球状结构的表征32-33
• 3.3.3 Cu@SnO_2三维球状结构的气敏性能33-40
• 3.4 小结40-42
• 第四章 复合纳米微球La@SnO_2甲醛传感器的制备及气敏性能研究42-50
• 4.1 序言42
• 4.2 实验部分42-43
• 4.2.1 实验药品42
• 4.2.2 实验仪器42-43
• 4.2.3 主要表征手段43
• 4.2.4 气敏元件的制作43
• 4.2.5 气敏性能的测试43
• 4.3 结果与讨论43-48
• 4.3.1 La@SnO_2复合纳米微球的制备43-44
• 4.3.2 La@SnO_2复合纳米微球的表征44-45
• 4.3.3 La@SnO_2复合纳米微球的气敏性能45-48
• 4.4 小结48-50
• 第五章 结论50-51
• 参考文献51-58
• 作者简介及硕士期间发表的学术论文成果58-60
• 致谢60

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