多孔氣敏性氧化物納米材料的制備與應用研究.pdf

1、半導體氧化物氣體傳感器發(fā)展至今已有很長歷史，提高敏感性能一直是其研究所追求的目標。特別是靈敏度和選擇性，它們是制約傳感器實際應用的兩個重要因素。如何從根本上改善氣體傳感器的靈敏度以及提高選擇性，實現(xiàn)對待測物的低檢測限和定性識別依然是目前傳感器研究的熱點之一。納米材料的出現(xiàn)以及納米科技的發(fā)展為傳感器敏感性能的改善提供了新的契機。近年來，半導體氧化物納米材料的氣敏性研究越來越受到人們重視，其中多孔結構的納米材料因具有更大的活性表面積而倍受關

2、注。合成具有多孔結構的半導體氧化物納米材料來制作氣敏元件，對提高傳感器敏感性能具有非常重要的意義。 本論文主要是在合成多孔氧化物納米材料的基礎上，進一步考察了它們的氣敏特性及其它相關性質。此外，以多孔氧化物為氣敏材料設計制作了一種結構新穎的傳感器件，通過與氣相色譜分離柱聯(lián)用，探索并提出了彌補氣體傳感器在實際檢測中存在選擇性不足的新方法。主要內容如下： 一、水熱法合成了類堿式碳酸鎘化合物納米線；以其為前驅體，在空氣中高溫煅

3、燒首次制備了多孔氧化鎘納米線。詳細研究了前驅體形貌及組分隨煅燒溫度的變化，提出了氧化鎘納米線多孔結構的形成機制。此外，氣敏性研究表明：由多孔氧化鎘納米線制作的傳感器對低濃度的氮氧化物(NOx)表現(xiàn)出良好的氣敏性能。檢測限低，對1ppm的NOx仍然有明顯的敏感響應；擁有高的信噪比；同時具有良好的選擇性，對有機體還原性氣體幾乎沒有明顯的響應；且功耗低，工作溫度僅約為100℃。光學性質研究發(fā)現(xiàn)：多孔氧化鎘納米線的PL譜呈現(xiàn)出發(fā)射波長隨激發(fā)波長

4、的增加而紅移；對于UV-vis吸收光譜，在505nm處有一個較寬的吸收峰。 二、合成了單分散、粒徑大小可控的碳質納米粒子。以碳質納米粒子為模板，成功地制備了多孔結構的氧化銦納米空心球。表征結果顯示：In2O3納米球大小約為200nm；殼層厚約30nm，由粒徑大小約為6-13nm的In2O3納米晶和納米孔組成。與實心納米球相比，獨特的空心和多孔結構的In2O3納米球有利氣體分子的擴散，同時應具有較大的活性表面積。氣敏性研究表明：它

5、們對乙醇、甲醇、丙酮和乙醚等有機揮發(fā)性氣體表現(xiàn)出良好的氣敏響應特性，如高靈敏度、低檢測限和可逆性，充分體現(xiàn)了多孔納米材料在提高傳感器氣敏性能中的作用。此外，為了理解多孔In2O3納米空心球的良好氣敏性能，提出了其氣敏響應模型。光學性質研究發(fā)現(xiàn)：在309nm處多孔In2O3納米空心球有一個強的紫外吸收峰；同時，與已報道的In2O3納米材料類似，在室溫下也表現(xiàn)出熒光性質。 三、為間接實現(xiàn)氣體傳感器在混合樣品檢測中的選擇性(即對待測物

6、定性識別)，提出了氣相色譜柱和氣體傳感器聯(lián)用技術。以多孔氣敏性氧化物為敏感材料，設計制作了一種結構新穎的傳感器件應用為氣相色譜檢測器。通過對甲醇、乙醇、異丙醇以及它們混合樣品的測試，成功地證實了氣相色譜柱和氣體傳感器聯(lián)用技術的可行性以及獨特優(yōu)點。基于不同濃度甲醇、乙醇、異丙醇以及它們混合樣品的測試，初步探討氣體傳感器對各組分響應的靈敏度與濃度關系。結果表明氣體傳感器用作氣相色譜檢測器對樣品的定量分析也具有一定的參考價值。通過研究柱前壓和