以MOF为模板制备钴基复合金属氧化物气敏材料及性能研究

发布时间：2020-05-21 09:01

【摘要】：随着科技不断发展,汽车排气、工业废气等污染物排放量越来越多,环境污染愈发严重,人身安全受到威胁。在众多挥发性有害气体中,乙醇是一种无色、有刺激性香味的气体,长期接触乙醇气体会引发头痛、嗜睡和眼睛刺激等健康问题。气体传感器作为传感器的一个重要分支,常用于检测挥发性有害气体,便于实时监测避免人身安全受到危害。Co_3O_4是一种典型的P型半导体,在气体传感器领域是一种常见的半导体金属氧化物,MOF材料由于具有规整的形貌及大的比表面积被广泛应用。本论文以MOF为模板使用共沉淀法与高温退火处理合成不同形貌的Co_3O_4/Fe_2O_3、Co_3O_4/ZnO、SnO_2/Co_3O_4@Co_3O_4复合材料,研究了其对乙醇气体的气敏性能并对气敏机理进行详细讨论。以硫酸钴、铁氰化钾、柠檬酸三钠为原料,使用简单的两步法制备方块状Co_3O_4/Fe_2O_3二元复合材料。利用XRD表征确定样品的晶体结构,SEM及TEM表征观察样品的表面及内部形貌,XPS表征确定各元素的存在。对两种材料的气敏性能进行了测试,结果表明Co_3O_4/Fe_2O_3复合材料在140℃下对100 ppm的乙醇灵敏度为27.272,是纯Fe_2O_3灵敏度的2.2倍。灵敏度的提高归因于Co_3O_4/Fe_2O_3复合材料的内部结构及Fe_2O_3和Co_3O_4之间P-N异质结构的形成。两种材料均具有良好的重复性及长期稳定性。以硝酸钴、硝酸锌、2-甲基咪唑为原料,使用共沉淀法及化学刻蚀法结合高温煅烧制备核壳结构Co_3O_4/ZnO复合材料。XRD表征结果说明,化学刻蚀前后所得产物均为Co/Zn-ZIF,高温煅烧后全部转变为Co_3O_4/ZnO复合材料,并对材料进行气敏性能测试,测试结果表明核壳结构Co_3O_4/ZnO在200℃下对100 ppm的乙醇灵敏度为38.87,是单壳Co_3O_4/ZnO的2.8倍。大的比表面积、多的气体活性位点以及ZnO和Co_3O_4之间的P-N异质结构的形成是提升气敏材料灵敏度的主要原因。以氯化钴、氯化锡、氢氧化钠为原料,使用共沉淀法结合两步高温煅烧技术制备空心核壳结构方块状SnO_2/Co_3O_4@Co_3O_4复合材料。通过SEM及TEM表征观察产物的形貌,所得到的产物为直径约为250 nm的方块。与空心结构SnO_2/Co_3O_4复合材料进行气敏性能的比较,SnO_2/Co_3O_4@Co_3O_4气敏材料在140°C下对100 ppm的乙醇灵敏度为27.69,SnO_2/Co_3O_4灵敏度为14.88。此外,对两种材料的重复性、选择性及稳定性等气敏性能进行了测试。
【图文】：

哈尔滨工程大学硕士学位论文多功能、智能化等优点[13]。年来，研究者们通过不懈努力推进了气体传感器的发展，各种各样具有不同素的金属氧化物层出不穷，经过加工的金属氧化物可以检测到的有毒有害多样，如 NH3、NO2、CO、CO2、C2H5OH 等。目前，金属氧化物半导体导体传感器的重要分支，由于其所拥有体积小且灵敏度高的特性，被研究。 气体传感器的分类气体传感器按照测试机理的不同来划分，可分为固体电解质式、接触燃烧、电化学式及光学式传感器[14]，如图 1.1 所示。

由于其不含粘合剂，在 5000 圈之后也显示出 80.5 ％的电容保其高循环稳定性。剂3O4是一种常见的过渡金属氧化物，由于其内部同时含有 Co2+和 Co3+而具活性，被广泛应用到催化领域。Zhang Ming 等人[34]通过共沉淀法结合高备蛋黄结构 Co3O4/C@SiO2复合材料，实验结果表明得到的产物对废水中PA）的降解具有优异的活性，并且，这种设计极大地限制了有毒钴离子实际应用中的重大挑战。Li Hongchao 等人[35]利用一种简便的方法，以 ZPd 作为催化剂，合成 Pd@PdO/Co3O4复合材料，如图 1.2 所示。合成后的应（OER）和氧化还原反应（ORR）具有较高的电催化活性，可与商用催化剂相媲美，而其循环性能和稳定性远高于商用 RuO2和 Pt/C 电催化 MOF 模板化混合纳米材料的设计和合成建立了一种有效的方法，并为在开发高性能电催化剂提供了巨大的潜力。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB34;TP212;TQ223.122

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本文编号：2674035