多孔金屬氧化物半導(dǎo)體材料的合成及其性能研究.pdf

1、由于具有較高的孔隙率和比表面積，多孔金屬氧化物半導(dǎo)體材料如ZnO、SnO2、MnO等因其優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)在氣敏傳感器、鋰離子電池、光催化劑及太陽能電池等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。對于表面電阻控制型氣敏傳感器，具有多孔結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料可以為檢測氣體和半導(dǎo)體之間的反應(yīng)提供更多的接觸面積，這有利于提高器件的靈敏度。同時(shí)多孔結(jié)構(gòu)還可以為氣體在半導(dǎo)體層的擴(kuò)散提供通道，有利于提高響應(yīng)和恢復(fù)速率。對于鋰離子電池電極而言，多孔結(jié)構(gòu)有助于促進(jìn)活性物質(zhì)與鋰

2、離子之間的反應(yīng)，對活性物質(zhì)體積變化起到緩沖作用，從而提高材料的電化學(xué)性能。由此可見，氧化物半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)和比表面積對其氣敏和電化學(xué)性能具有很大影響。因此，設(shè)計(jì)和合成具有一定形貌的多孔氧化物半導(dǎo)體材料成為目前半導(dǎo)體材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。
　　本論文合成了具有多孔結(jié)構(gòu)的ZnO、SnO2和MnO半導(dǎo)體材料，對合成機(jī)理和相關(guān)性能進(jìn)行了探討，具體研究內(nèi)容如下:
　　(1)以乙酸鋅和碳酸銨為主要原料，采用水熱法制備了Zn5(CO3)

3、2(OH)6前驅(qū)體，通過煅燒前驅(qū)體制備了三維多孔ZnO鳥巢型結(jié)構(gòu)。該鳥巢型結(jié)構(gòu)具有很好的分散性和均勻性，尺寸約為1-3μm，比表面積為36.4m2g-1，每一個(gè)鳥巢型結(jié)構(gòu)由二維納米片狀多孔ZnO組成，二維納米片的厚度約為20nm，其表面具有許多不規(guī)則的孔隙結(jié)構(gòu)。這種多孔鳥巢型結(jié)構(gòu)為半導(dǎo)體材料和檢測氣體之間反應(yīng)提供更多的反應(yīng)場所，此外，鳥巢型多孔結(jié)構(gòu)還可以為氣體在半導(dǎo)體的吸附脫附提供通道。對制備的鳥巢型多孔ZnO材料進(jìn)行氣敏性能測試，結(jié)果

4、表明三維鳥巢型多孔ZnO對乙醇和丙酮靈敏度高于二維納米片狀結(jié)構(gòu)多孔ZnO材料。
　　(2)以四氯化錫為主要原料，無水甲醇為溶劑，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為表面活性劑，采用溶劑熱工藝制備了前驅(qū)體，通過對前驅(qū)體熱處理制備出SnO2介孔球。前驅(qū)體和分解后產(chǎn)物的形貌和尺寸一致，所制備的SnO2介孔球具有很好的分散性和均勻性，直徑約為500-700nm，比表面積為78.2m2g-1。對SnO2介孔球的生長機(jī)理進(jìn)行了分析，對比實(shí)驗(yàn)表明，反應(yīng)體

5、系中表面活性劑PVP對SnO2介孔球的物相和孔結(jié)構(gòu)沒有明顯影響，但對產(chǎn)物的分散性和均勻性起到關(guān)鍵作用。對SnO2介孔球進(jìn)行氣敏性能測試，結(jié)果表明SnO2介孔球?qū)O和H2氣敏性能優(yōu)異，靈敏度高于商業(yè)SnO2納米顆粒。
　　(3)以氯金酸為原料，對SnO2介孔球進(jìn)行修飾，制備了Au修飾的SnO2介孔球。樣品的整體形貌和尺寸在修飾前后沒有發(fā)生明顯的變化，比表面積由78.2m2g-1降為33.6m2g-1。測試結(jié)果表明，Au納米顆粒沉積

6、在SnO2表面和孔隙中，尺寸約為5nm。對Au修飾SnO2和SnO2介孔球的氣敏性能進(jìn)行測試，Au納米顆粒修飾后樣品的氣敏性能在靈敏度和響應(yīng)速率方面都有很大的提高。一方面是由于SnO2介孔球可以為氣體和氧離子之間的反應(yīng)提供更多的場所，另一方面是由于Au納米顆粒對檢測氣體和氧離子之間的反應(yīng)起到催化作用。
　　(4)以乙酸錳和碳酸銨為原料，以PSS為表面活性劑，Na2SO4為靜電穩(wěn)定劑，甘氨酸為絡(luò)合劑，室溫條件下采用化學(xué)沉淀的方法制備

7、了MnCO3前驅(qū)體，通過煅燒MnCO3前驅(qū)體制備了多孔Mn2O3微米球，再以吡咯為碳源，在真空條件下對Mn2O3多孔微球進(jìn)行包碳處理，合成了MnO@C多孔微球。對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明添加劑對MnCO3前驅(qū)體的分散性和均勻性有很大影響。對所制備的Mn2O3和MnO@C微球進(jìn)行電化學(xué)性能測試，結(jié)果顯示MnO@C的循環(huán)性能明顯優(yōu)于Mn2O3多孔微球。對于MnO@C電極材料，循環(huán)使用60次后其可逆容量依然可以保持在625mAhg-1，而Mn2O3樣品