釩氧化物納米管的表面修飾與氣敏特性研究.pdf

1、近年來,納米材料由于其特殊的結構和優(yōu)越的性能,吸引了廣大學者的關注。釩氧化物納米材料存在大量與氣體選擇性作用的活性位點,可用于制作高靈敏度氣體傳感器。在眾多的釩氧化物納米材料中,釩氧化物納米管(VONTs)具有更大的比表面積,更利于氣體的吸附,對于提高氣敏材料的靈敏度、穩(wěn)定性、選擇性等性能有很大潛能。本文選擇釩氧化物納米管為研究對象,對其進行表面修飾,從材料結構控制和氣敏機理研究兩方面出發(fā),系統(tǒng)研究釩氧化物納米管結構、組成與氣敏性能的關

2、系,取得了一些創(chuàng)新性研究結果。具體如下:
　　 1.將釩氧化物納米管材料制作成旁熱式氣敏元件,通過靜態(tài)配氣法測試其氣敏性能。研究發(fā)現(xiàn)釩氧化物納米管氣敏元件對乙醇氣體具有較高的靈敏度和較短的響應恢復時間,且最佳工作溫度為270℃。330℃時對1000 ppm乙醇氣體的靈敏度高達2.3,探測極限低至50 ppm。通過納米管結構與性能相關性的分析,指出一維釩氧化納米管獨特的層狀形狀形成大量氣體通道,具有較高的比表面積、自身易發(fā)生氧化還

3、原反應可能是其靈敏度較高的原因。
　　 2.利用二次水熱法合成了表面負載Fe2O3納米顆粒的釩氧化物納米管。通過研究溶劑、反應溫度、耦合劑等因素對表面負載Fe2O3納米顆粒釩氧化物納米管的結構與性能的影響,發(fā)現(xiàn)經Fe2O3納米顆粒表面修飾的釩氧化物納米管氣敏性能得到大幅度提高。在190℃,表面負載Fe2O3納米顆粒的釩氧化物納米管對乙醇氣體的探測極限為10 ppm。在330℃,對1000 ppm乙醇氣體的靈敏度高達7.4。根據(jù)復

4、合結構的電阻.溫度曲線、靈敏度-溫度曲線,Fe2O3顆粒尺寸對納米管靈敏度的影響等結果推斷其氣敏機理為表面吸附氧控制模型,Fe2O3顆粒的存在相當于增加了活性位點,納米管的一維形貌為電子的轉移提供了快速通道,兩者共同作用的結果導致靈敏度得到大幅度改善。
　　 3.采用微波輻照法分別在釩氧化物納米管表面負載了形狀均一、分散均勻的Ag和Pd納米顆粒,粒徑約10 nm。與純釩氧化物納米管相比,貴金屬表面修飾的釩氧化物納米管氣敏元件具有

5、更好的穩(wěn)定性和更低的工作溫度。Ag納米粒子表面修飾可以明顯提高釩氧化物納米管對乙醇的氣體選擇性。Pd納米粒子表面修飾可以提高釩氧化物納米管對氨氣的靈敏度。元件氣敏性能得到改善的主要原因是貴金屬的“電子增敏作用”。
　　 4.采用聚合物單體的原位化學聚合制備了包覆厚度5～20 nm的釩氧化物納米管/聚苯胺核.殼結構和包覆層厚度為40nm的釩氧化物納米管/聚吡咯核-殼結構。通過聚合物的包覆,實現(xiàn)了釩氧化物納米管氣敏元件對氣體的室溫檢