氧化钨、氧化铟的微纳结构调控与气体传感性能研究

发布时间：2018-10-17 14:50

【摘要】：传感器作为获取信息并传输信号的检测装置,已经成为现代高技术的重要支柱之一。传感材料作为气体传感器的核心,对其的进一步开拓和研究是提升气体传感器性能最有效的途径之一。近年来,三维纳米结构的制造技术已经推动了全世界纳米科技的发展,也为传感材料的微观结构的设计和研究注入了新的思路并提供了创新的源泉。本论文主要围绕金属氧化物气体传感器在检测中常面临的问题,以提升气体传感性能为核心,系统的设计合成了几种金属氧化物半导体气体传感器,研究了微纳结构与传感性能的关联。利用简单、经济、环保的水热/溶剂热的方法,成功地制备了多种具有新颖结构和优异气体传感性能的WO_3 和In_2O_3微纳结构,通过调节对金属氧化物半导体传感材料的反应条件来调控材料的结构、相成分和表面特性,以此来实现对气体传感器的灵敏度、选择性、响应恢复速度和稳定性等性能方面的提升。主要内容如下:1.设计制备了单晶纳米片组装的花形WO_3 分等级结构。依据不同水热时间的样品形貌研究了其生长机理;这种结构因其分等级结构和单晶纳米片的结构单元,制作成WO_3 传感器后,在160°C对20 ppm H2S气体的灵敏度达到10.9,响应恢复时间只有0.9 s和19 s。2.设计合成了纳米枝晶片组装的WO_3 分等级结构。表征结果表明WO_3 分等级结构中包含许多方向各异的枝晶片。依据不同反应时间的样品的形貌对WO_3 分等级结构做出了总结;气体传感性能测试结果表明这种WO_3 枝晶传感器在140°C对NO2气体具有较高的灵敏度、响应恢复速度和选择性。3.通过简单的溶剂热方法成功制备了In_2O_3纳米颗粒,表征结果表明这种颗粒尺寸大约为20 30 nm;对生长过程的详细研究表明其从形貌不规则的前驱体经历退火后分裂为形貌较为均一的纳米颗粒;NO2传感性能测试结果表明这种In_2O_3纳米颗粒具有非常低的最佳工作温度60 o C以及较高的灵敏度和选择性,采用化学反应动力学原理对这种传感性能做出了解释。4.设计和制备由纳米颗粒堆积的43 nm左右的球形In_2O_3分等级结构,将这种结构引入传感器领域当中,发现其在120 o C对NO2气体有比较高的灵敏度(217.5,500 ppb),探测极限下降到10 ppb,证明了这种分等级结构提升传感性能的有效性。5.设计制备了超高灵敏度的纳米颗粒组装的球形In_2O_3分等级结构,并研究了其生长机理,其显著的介孔特性、相当大的比表面积(82.1 m2/g)以及结构中的小尺寸颗粒被认为是其出色的NO2传感性能的关键因素;此外,经对比发现,不同的退火温度也会影响In_2O_3分等级结构的传感性能;NO2传感测试结果表明500oC退火后得到的In_2O_3样品在120 o C对100 ppb NO2的灵敏度高达360.1,并且最低检测极限为1 ppb,具有相当大的实际应用的潜力。6.设计并制备了具有高度分散性的球形In_2O_3分等级结构,并探究了其生长机理。传感测试表明这种结构作为传感器时对NO2具有较高的灵敏度;通过在其表面修饰Ag颗粒对其表面改性后,传感器对NO2气体具有亚ppb浓度的检测极限和更高的灵敏度以及响应恢复速率,这种增感效应被认为应归因于贵金属Ag的催化活性和溢出效应来解释。
[Abstract]:......
【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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本文编号：2277025