鋅、銦、錫氧化物納米結構的控制合成及其氣敏性質(zhì)研究.pdf

1、氣體傳感器技術是近年來在實際應用領域發(fā)展最為迅速的關鍵技術之一，被廣泛應用于監(jiān)測各種有害氣體、可燃氣體、工業(yè)廢氣和環(huán)境污染氣體。隨著納米技術的不斷發(fā)展，與該項技術相結合的氣體傳感器的研究是納米化學領域中引人注目的課題之一，利用納米材料的表面效應和量子尺寸效應，可以大大提高氣體傳感器的靈敏度和響應速度，因此研究納米材料在氣體傳感器領域的應用具有非常重要的意義。氣敏反應是發(fā)生在半導體金屬氧化物表面的氣-固界面之間的化學反應，其原理是當氣體分

2、子與半導體金屬氧化物表面接觸時由于電子轉移的發(fā)生而導致材料表面電阻發(fā)生變化。對于一給定的氣體傳感材料，其傳感器性能受操作溫度、材料暴露的晶體表面、材料的微結構、表面摻雜等因素的影響。因此，從材料的角度研究各種因素對氣敏性質(zhì)的影響不僅僅在基礎納米材料合成方面具有重要的理論意義，而且能夠為探索性能優(yōu)良的氣體傳感材料提供一定的指導意義。本論文利用溶液化學法制備了幾種半導體金屬氧化物納米材料，包括ZnO、SnO2和In2O3，以檢測有毒有害的易

3、揮發(fā)有機化合物為目標，分別從晶體表面、結構的有序性、多孔結構以及顆粒大小等幾個方面研究了納米材料的形貌和結構對檢測易揮發(fā)性有機化合物氣敏傳感性能的影響。
　　 1.ZnO暴露的晶體面對2-氯苯酚氣敏性質(zhì)的影響
　　 由于ZnO不同的晶體表面具有不同的原子排布和懸掛鍵密度，因此不同形貌的單晶ZnO納米結構對2-氯苯酚顯示了不同的氣敏響應。首先，利用甘油、乙二胺和醋酸鈉作為配位試劑，在水熱條件下分別制備了三種不同形貌的單晶Z

4、nO納米結構，包括納米錐、納米棒和納米片，通過結構分析發(fā)現(xiàn)，這三種ZnO納米結構具有不同的暴露晶面以及不同比例的極性(0001)面。例如，ZnO納米錐主要包含{1010}晶面族，而不含有極性(0001)面；納米棒的主要暴露晶面也是{1010}晶面族，但是含有較小比例暴露的極性(0001)面；ZnO納米片主要是由相對的極性(0001)和(1010)面所組成。我們測試了制備的三種ZnO納米結構對2-氯苯酚的氣敏性質(zhì)，結果發(fā)現(xiàn)對2-氯苯酚響應

5、的大小取決于ZnO所暴露的極性(0001)面的大小，具有最高比例(0001)面的ZnO納米片顯示了最高的靈敏度，無(0001)面暴露的納米錐其靈敏度最低。此外，我們還利用密度泛函計算方法(DFT)對2-氯苯酚分子在ZnO(1010)面的吸附和電子轉移過程進行了模擬。結果證明，吸附導致的表面重構和電子轉移使得ZnO表面的電子密度增大，從而增加了其表面的導電性。Zn原子作為活性點，在吸附2-氯苯酚分子過程中發(fā)揮關鍵作用。從而證明了，極性(0

6、001)面是全部由Zn原子所暴露的晶體面，因此顯示了最高的氣敏活性。
　　 2.F127膠束模板導向制備In2O3微米束多級結構及其增強的氣敏性質(zhì)
　　 利用三嵌段共聚物F127形成的膠束模板機制，水熱條件下制備了由有序排列的單晶納米棒組裝而成的In2O3微米束多級結構，并顯示了對2-氯乙醇增強的氣敏傳感性能。首先，利用兩親性的三嵌段共聚物F127(EO106PO70EO106)在水中形成的膠束為軟模板，通過In3+與尿

7、素水解產(chǎn)生的OH-原位反應制備了棒束狀的In(OH)3前驅(qū)體，再在高溫下退火制備了In2O3微米束多級結構，并保持了前驅(qū)體原來的有序結構。透射和掃描電鏡觀察顯示，In2O3微米結構是由定向有序排列的幾十根納米棒所組裝而成的。通過HRTEM和ED表征手段分析證明，In2O3納米棒暴露的晶體表面為{110)和{001}晶面。我們還對In2O3微米束多級結構的形成機理進行了研究，不同濃度的F127下進行的對比實驗表明，只有當F127的濃度達到

8、臨界膠束濃度以上時才能夠得到規(guī)則的In2O3微米束多級結構，介觀動力學模擬方法(MesoDyn)同樣證明了膠束模板機制是導致In2O3微米束多級結構形成的主要原因。對制備的In2O3微米束的氣敏性質(zhì)進行了測試，與無F127模板下合成的In2O3產(chǎn)品相比，有序排列的In2O3多級結構由于具有有序排列的多級結構和特殊的暴露晶體表面，對毒性2-氯乙醇顯示了更高的靈敏度和更快速的響應速度。
　　 3.多孔SnO2納米空心球及其對易揮發(fā)有

9、機化合物的高靈敏度氣相檢測
　　 多孔及空心結構的納米材料往往具有高的比表面積，這意味著大量的原子位于材料的表面而能夠參與表面反應，從而為反應提供了更多的活性點，有助于大大提高氣體傳感器的靈敏度。我們利用Sn2+和NaClO為原料，通過調(diào)節(jié)HCl的濃度在乙醇溶液中一步制備了多孔SnO2空心納米球。該多孔SnO2空心納米球具有高的比表面積和多孔結構，單個納米球由5-10nm的小顆粒聚集而成。通過研究SnO2形貌隨時間的演變實驗，確

10、定了多孔SnO2空心納米球的形成原因是由于腐蝕導致的球內(nèi)部小顆粒的溶解。實驗中還發(fā)現(xiàn)，HCl和NaClO的加入量對多孔SnO2空心納米球的形成也具有很大的影響。以2-氯乙醇和甲醛為例研究了制備的多孔SnO2空心納米球的氣敏性質(zhì)，結果發(fā)現(xiàn)，由于其獨特的高比表面積和多孔結構，多孔SnO2空心納米球?qū)Χ喾N易揮發(fā)有機物顯示了高的靈敏度和快速的響應時間，檢測最低濃度可以達到0.5ppm以下，表明多孔SnO2空心納米球在檢測易揮發(fā)有機物方面具有潛在

11、的應用價值。
　　 4.靜電紡絲法制備In2O3納米纖維和納米帶及其甲醛氣敏性質(zhì)
　　 利用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)輔助的溶膠-凝膠方法結合靜電紡絲技術制備了In2O3納米纖維和納米帶。In2O3納米纖維的平均直徑為180nm，納米帶的寬度和厚度分別大約為1μm和180nm。二者的長度都可達到毫米級。在實驗中，通過控制溶膠前驅(qū)體中乙醇的含量和PVP的濃度成功實現(xiàn)了由納米纖維到納米帶的可控制備。結果表明，可紡性前驅(qū)體中溶劑

12、的快速揮發(fā)和高的聚合物濃度是In2O3納米帶形成的主要原因，在溶膠前驅(qū)體中乙醇含量較少即溶劑較難揮發(fā)時，得到的產(chǎn)物是纖維狀，而當增加乙醇含量和PVP濃度時可以得到納米帶狀結構的產(chǎn)物。電紡中納米帶的形成是由于帶電噴出體表面的快速凝膠化和彎曲不穩(wěn)定性而導致的。組成In2O3納米纖維和納米帶的顆粒大小分別為18.6nm和11.2nm。通過對有毒易揮發(fā)性的甲醛氣敏性質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)，由于氣體傳感器中的尺寸效應，具有較小顆粒的In2O3納米帶在較低的溫