三維單分散ZnO、α-Fe2O3空心結構和多孔結構的制備及其氣敏性能研究.pdf

1、現(xiàn)代社會，隨著工業(yè)化的迅速發(fā)展和人口的急劇增長，各種易燃易爆、有毒有害性氣體以及它們的混合性氣體在工礦企業(yè)、科學研究部門和家庭中變得隨處可見，隨之而來的爆炸事故、大氣污染、火災事故等成為威脅人類生命及財產安全的重大難題。因此，及時地監(jiān)控這些氣體并報警防災便成為迫切需要解決的問題。目前，檢測氣體的方法有很多，例如電化學法、光學法、色譜法等，但是這些方法的缺點是它們的成本較高、測定裝置比較復雜，因此不易廣泛推廣。而用金屬氧化物半導體材料制備

2、的氣敏傳感器，因其制作簡單、成本較低、穩(wěn)定性好、便于攜帶等優(yōu)點，成為了工業(yè)上和日常生活中及時檢測和監(jiān)控這些易燃易爆氣體、有毒有害氣體的重要手段之一。現(xiàn)階段研究表明，分層結構、多孔結構以及空心結構因其具有大的比表面積、高的孔隙率和低密度等優(yōu)點成為了構建高靈敏度和快速響應的理想結構。本論文瞄準這一研究方向，通過簡單的水熱法結合退火處理的方式合成了單分散空心結構的ZnO和多孔結構的α-Fe2O3微米粒子。利用Cu摻雜及改變水熱反應時間等條件對

3、樣品進行了表面修飾，并用所合成的樣品作為氣敏材料制備了相應的氣體傳感器。主要的研究工作如下：
　　1.通過一個簡單的水熱法在160℃下反應20個小時后對其退火處理成功合成了單分散的ZnO空心六面錐。檸檬酸鈉和丙三醇在空心六面錐的形成過程中起著不可或缺的作用。根據形貌結果，我們也提出了空心六面錐可能的生成機理。另外，用這種特殊結構制成的傳感器在240℃的最佳溫度下對乙醇展現(xiàn)出優(yōu)異的氣敏性能。它對200 ppm乙醇的響應值為187，且

4、響應和恢復時間分別為11秒和9秒，這表明我們的樣品對乙醇具有高的靈敏度、短的響應恢復時間和好的選擇性。
　　2.通過一個簡單的水熱法在140℃下反應16個小時后又對其進行退火處理，隨后成功合成了漢堡包狀的α-Fe2O3微米粒子。這些微米粒子的長和寬分別為2.7和2.2微米，并且展現(xiàn)出單分散多孔結構。我們用這種獨特的結構制備了相應的傳感器，并在270℃下對500 ppm各種氣體進行了測試，發(fā)現(xiàn)其對丙酮的響應值大約為236，遠高于對其

5、它氣體的響應值。另外，其響應時間和恢復時間都在10秒以內。這表明了這種結構對丙酮具有高的敏感性、快的響應恢復時間和好的選擇性。因此，該樣品的這種特殊結構賦予了丙酮探測廣泛的應用前景。
　　3.利用新穎的水熱法成功的合成了單分散多孔的立方體狀、餅狀和橢球體狀的α-Fe2O3微米粒子。我們采用各種表征方法對人工合成的α-Fe2O3微米粒子進行了研究。其SEM和TEM結果表明所有這些微米粒子的直徑大概都為2-3微米。氣敏測試結果表明，水

6、熱反應時間和Cu的摻雜量對傳感器的性能都有很大的影響。在這些傳感器中，Cu的摻雜量為1.0 wt％而且水熱時間為15小時的傳感器的氣敏性能最佳，也就是說餅狀的α-Fe2O3具有最好的氣敏性能。它在270℃對500 ppm丙酮的響應值為205.3，比氨水的響應值（約為17.3）高11.9倍。另外，響應時間和恢復時間都在10秒內，表明1.0 wt%Cu摻雜的α-Fe2O3微米餅制備的傳感器對丙酮探測具有潛在的應用。最后，我們對α-Fe2O3