氧化物納米材料的合成、結(jié)構(gòu)與氣敏特性研究.pdf

1、經(jīng)過四十多年的研究發(fā)展，傳感器工作者已基本解決了金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器的靈敏度和選擇性問題，使之在可燃?xì)怏w、有毒有害氣體的檢測和控制方面取得了廣泛地應(yīng)用。但目前市售的半導(dǎo)體氣敏元件還存在選擇性偏低、穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，嚴(yán)重限制了這一具有巨大市場價(jià)值的產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。本文選擇發(fā)現(xiàn)最早、應(yīng)用廣泛的氧化鋅氣敏材料和功耗低、選擇性好的氧化銦氣敏材料為研究對象，從材料結(jié)構(gòu)控制和氣敏機(jī)理研究兩方面入手，系統(tǒng)地研究了氧化物氣敏材料的制備、結(jié)構(gòu)、組成與

2、氣敏性能的關(guān)系，取得了較好的研究結(jié)果。具體如下： 1.用水熱法、溶劑熱法合成了結(jié)構(gòu)均勻、分散性好的氧化鋅納米棒、納米線等一維納米材料和氧化鋅晶須、亞微米棒，用XRD、ED、SEM、TEM、XPS等對這些材料的結(jié)構(gòu)、組成和形貌進(jìn)行了表征。通過考察添加劑、反應(yīng)溫度、時(shí)間等因素對合成材料結(jié)構(gòu)及形貌的影響，給出了氧化鋅納米棒、納米線和晶須的生長機(jī)理。 2.采用化學(xué)沉淀法、微乳液法、超聲輻射溶膠-凝膠法、水熱法、溶劑熱法制備了形狀

3、均勻、分散性好的球形、方塊形、針形和棒形氧化銦，用XRD、ED、SEM、TEM、XPS、TG-DSC等表征了合成氧化銦的結(jié)構(gòu)、組成和形貌；采用溶劑熱法一步合成了立方氧化銦納米晶；通過考察表面活性劑、助表面活性劑、反應(yīng)原料及配比等對氧化銦結(jié)構(gòu)和形貌的影響，得知油酸存在是微乳-溶劑熱法制備亞穩(wěn)態(tài)六方氧化銦納米棒的關(guān)鍵因素。 3.通過靜態(tài)配氣法測試了不同結(jié)構(gòu)氧化鋅的氣敏性能。與零維納米顆粒相比，氧化鋅納米棒具有較高的氣體靈敏度，氧化鋅

4、納米線則具有較好的氣敏穩(wěn)定性；通過貴金屬元素?fù)诫s可顯著提高氧化鋅一維納米材料的靈敏度并改善其選擇性，使之有可能應(yīng)用于酒精、硫化氫、液化氣、乙醛、苯等氣體的檢測。 4.與氧化鋅氣敏材料相比，氧化銦具有更低的功耗或工作溫度；稀土摻雜可明顯改善氧化銦對酒精和汽油的氣體選擇性，提高氧化銦對甲醛的靈敏度；根據(jù)氧化銦的電阻-溫度曲線、靈敏度-溫度曲線、顆粒尺寸對氧化銦靈敏度的影響等結(jié)果推斷氧化銦的氣敏機(jī)理為表面吸附氧控制型，化學(xué)吸附氧的存在

5、對氧化銦在空氣中的阻值和檢測氣氛中的氣體靈敏度起著關(guān)鍵的作用。 5.通過氣敏元件表面分析和比表面測試分析了氧化鋅一維納米材料靈敏度高于零維納米顆粒的原因。指出一維納米材料在高溫處理制成氣敏元件后能夠保持自身形狀形成大量氣體通道，具有較高可利用面積(有效表面積)可能是其靈敏度較高的原因。 6.通過微型反應(yīng)器-氣相色譜聯(lián)機(jī)的方法測試了氧化鋅對酒精、乙醛、丁烷和一氧化碳的氣敏催化性能。乙醇的催化氧化經(jīng)歷脫氫、脫水和深度氧化三個(gè)

6、階段，脫氫和深度氧化對酒精的氣敏響應(yīng)有貢獻(xiàn)；乙醛氧化路徑在酒精的氣敏響應(yīng)中起主要作用，且酒精、乙醛的催化轉(zhuǎn)化率越高，氣體靈敏度也越高；氧化鋅對異丁烷沒有催化活性，氧化鋅對異丁烷不敏感；一氧化碳由于還原性太強(qiáng)，主要與空氣中的氧發(fā)生氧化還原反應(yīng)，雖有轉(zhuǎn)化，靈敏度也不高。因此還原性氣體在氧化鋅表面的催化氧化反應(yīng)是決定其氣敏響應(yīng)的主要因素。 7.與氧化鋅氣敏材料相比，氧化銦對乙醇的催化氧化主要是深度氧化，即直接生成二氧化碳和水，因此很難

7、通過控制表面酸堿性改變乙醇氧化路徑來提高或降低氧化銦對乙醇的靈敏度；氧化銦對乙醇最高催化轉(zhuǎn)化率對應(yīng)的溫度在275℃，低于氧化鋅，該溫度與氧化銦最大氣體靈敏度的對應(yīng)溫度一致；氧化銦對異丁烷的催化活性很低，氣體靈敏度也較低，所以要想提高氧化銦對異丁烷的氣體靈敏度，必須使用對異丁烷有高轉(zhuǎn)化率的催化劑。 8.指出進(jìn)一步制備出形貌更均一、尺寸可控的氧化物一維納米材料，并采用微機(jī)械加工技術(shù)制成微型化氣敏元件；研究摻雜對材料氣敏性能的影響，并