基于介孔结构氧化物半导体的气体传感器研究

发布时间：2018-04-09 21:28

本文选题：气体传感器　切入点：金属氧化物　出处：《吉林大学》2017年博士论文

【摘要】：气体传感器在环境保护、资源勘探、安全监管和医疗诊断等领域具有广泛应用。气体传感器种类繁多,但是基于金属氧化物的半导体气体传感器,因其具有灵敏度高、选择性可调、稳定性较好、可测量对象广泛、全固态、体积小、功耗低等优点,一直是气体传感器领域的重要研究方向。为了继续扩大半导体气体传感器的应用范围,需要进一步提高灵敏度、选择性和可靠性,其中,传感材料的纳米化以及掺杂改性等方法是提升该类传感器特性的重要策略。本文主要通过半导体氧化物的介孔化和贵金属担载改性来改善半导体气体传感器的特性。介孔结构为氧化物半导体敏感材料提供了更大的比表面积、更多的化学反应活性位点和有效的气体扩散孔道,有利于气体传感器灵敏度的提升。此外,在氧化物半导体表面上担载贵金属,可以增强敏感材料的催化活性,这不仅可以提高器件的灵敏度,而且能够使其在较低的温度下工作,有利于降低器件的功耗。因此,精确调控氧化物的介孔结构和贵金属催化活性是设计高灵敏、高选择、低功耗气体传感器的关键所在。本文主要利用软模板法和硬模板法两种方法制备介孔结构氧化物半导体气敏材料,从中选择性能优异的介孔敏感材料作为基体,对其进行贵金属担载,进而考察贵金属催化活性对气敏特性的影响。此外,还对不同敏感材料的敏感机理进行了细致的研究。具体研究内容如下:1.利用软模板法成功地制备出具有环状介孔马蹄形颗粒的SnO-2粉体材料。表征结果指出,马蹄形颗粒是由平均孔径约为2 nm的环状介孔结构自组装而成的,具有大比表面积(398.2 m~2/g)。基于这种环状介孔马蹄形SnO-2的气体传感器对乙醇具有优异的气敏特性,其中,400℃烧结得到的介孔SnO-2粉体材料在其最佳工作温度225℃下,对100 ppm乙醇响应值为17.3。马蹄形颗粒的环状介孔结构为气体表面反应提供大的比表面积、丰富的活性位点以及气体扩散的孔道,是增强敏感功能的主要原因。2.采用硬模板法成功地制备出具有大比表面积、有序孔道的尖晶石结构ZnFe_2O_4介孔材料,利用XRD、BET、TEM、SEM和XPS等表征手段对其结构和组成元素的化学价态等进行了表征。结果表明,所制备的介孔ZnFe_2O_4具有较好的结晶性,并呈现规整有序的周期性孔道结构。基于此介孔ZnFe_2O_4的气体传感器对丙酮具有优异的气敏特性,在最佳工作温度225℃下,对100 ppm丙酮的灵敏度为11.6,并具有良好的选择性和长期稳定性。3.利用硅基介孔材料KIT-6作为硬模板,制备出具有规则有序且呈现周期性介孔结构的WO_3材料。之后,对其进行贵金属Ag、Au、Pt的担载,考察贵金属的种类、担载量和分布状态对WO_3介孔结构和气敏特性的影响。结果表明,贵金属担载不会影响介孔WO_3的孔道结构,Ag和Pt均匀地分布在孔道内部,而Au一部分在孔道内部,另一部分则在孔道外部聚集。担载不同贵金属的介孔WO_3分别对NO_2、正丁醇和氨气具有优异的气敏特性。此外,还分析了介孔结构及贵金属修饰对气敏特性的影响,给出了该类传感器的增感机制。
[Abstract]:The gas sensor is widely used in the fields of environment protection , resource exploration , safety supervision and medical diagnosis . The gas sensor has many advantages such as high sensitivity , adjustable selectivity and low power consumption . The results show that the mesoporous ZnFe _ 2O _ 4 has good crystallinity and has good selectivity and long - term stability . The results show that the mesoporous ZnFe _ 2O _ 4 has good crystallinity and has good selectivity and long - term stability .

【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP212

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