金屬氧化物基復合膜NO2氣體傳感器的制備及特性研究.pdf

1、二氧化氮（NO2）是一種重要的大氣污染物，主要來自于燃料的燃燒、工廠廢氣及汽車尾氣的排放等，低濃度 NO2氣體即可損害人的呼吸道造成咽部疾病，同時它是酸雨的成因之一，對環(huán)境和人體健康都有著嚴重的危害。因此，研發(fā)高靈敏、快響應(yīng)、低成本、可室溫工作的 NO2氣體傳感器對環(huán)境監(jiān)控和公共安全均具有十分重要的意義。本文以金屬氧化物（CeO2、ZnO）為基礎(chǔ)，將其與碳系材料（rGO）或有機物（α-6T）進行復合，研制出室溫工作的高性能NO2氣體傳感

2、器，并結(jié)合敏感薄膜表征測試與傳感器氣敏性能分析建立了傳感器敏感機理模型。主要研究內(nèi)容包括以下兩個部分：
　　1.采用氣噴鍍膜工藝與熱還原相結(jié)合的方法在金叉指電極上制備了還原氧化石墨烯（rGO）/二氧化鈰（CeO2）分層復合膜，并進行了工藝參數(shù)優(yōu)化。通過形貌（SEM）和光譜（UV-Vis、FT-IR以及XPS）表征測試對復合膜進行了分析，SEM結(jié)果表明 rGO/CeO2分層復合膜中 CeO2顆粒對 rGO膜層具有很好的支撐作用；UV

3、-Vis、FT-IR及XPS光譜分析進一步表明GO被部分還原成rGO，且CeO2與rGO間存在較強的相互作用，分析認為復合膜分界面形成了有效的異質(zhì)結(jié)構(gòu)；此外， Ce3d的XPS結(jié)果表明GO/CeO2在熱還原作用下部分Ce4+被還原，在rGO/CeO2中形成了更多的Ce3+。室溫條件下，測試了單一rGO膜與rGO/CeO2分層復合膜對NO2氣體的響應(yīng)性能；復合膜傳感器對10 ppm NO2的響應(yīng)值為20.5％，是單一rGO膜的8.2倍。研

4、究了不同CeO2復合量對傳感器氣敏性能的影響，結(jié)果表明CeO2噴涂量為1.5 ml、GO噴涂量為1.0 ml時rGO/CeO2分層復合膜傳感器具有最佳的NO2氣敏性能。室溫下該傳感器對10 ppm NO2的響應(yīng)值和響應(yīng)時間分別為20.5%和92 s，檢測下限低于1 ppm，并具有優(yōu)異的重復性和選擇性。結(jié)合表征測試與氣敏性能分析，建立了復合膜傳感器NO2氣敏機理模型。分析認為在rGO/CeO2復合膜中更多Ce3+的存在形成了更多的氧空位，

5、從而增強了CeO2與rGO分界面處異質(zhì)結(jié)的協(xié)同作用；同時分層結(jié)構(gòu)薄膜中CeO2顆粒對rGO膜層的支撐作用可加速對氣體分子的吸附，因此rGO/CeO2分層復合膜傳感器對NO2氣體具有快速的高響應(yīng)特性。
　　2.采用水熱法制備了氧化鋅納米柱（ZnO NR），ZnO NR高度隨反應(yīng)時間的線性擬合系數(shù)（Rh2）高達0.99356，其中反應(yīng)時間為10 min時ZnO NR高度和直徑分別約為400 nm和215 nm。進一步采用水熱生長與真空

6、蒸鍍相結(jié)合的方法在金叉指電極上制備了ZnO NR\六噻吩（α-6T）分層復合膜。通過SEM形貌分析，可見α-6T納米顆粒沉積在六方柱狀ZnO NR薄膜的表面均勻成膜，復合膜具有ZnO NR表面的多孔隙結(jié)構(gòu)；進一步通過 Raman、UV-Vis以及 XRD光譜分析，證明了ZnO NR\α-6T分層復合膜中ZnO NR與α-6T間存在強相互作用，產(chǎn)生了由ZnO NR向α-6T分子的電荷轉(zhuǎn)移，在分界面形成了良好的異質(zhì)結(jié)。室溫條件下，測試了單一

7、膜與分層復合膜傳感器對NO2氣體的敏感性能，ZnO NR\α-6T復合膜對8 ppm NO2的響應(yīng)值為76.9%，是單一α-6T膜（25.5%）的2.1倍，而單一ZnO NR對NO2的響應(yīng)無恢復性能。研究了不同α-6T膜厚對復合膜傳感器氣敏性能的影響，優(yōu)化后得到α-6T厚度為25 nm時ZnO NR\α-6T分層復合膜具有最佳NO2氣敏性能。室溫條件下，該傳感器對低濃度（0~2 ppm）NO2氣體的響應(yīng)值隨濃度增大而呈現(xiàn)線性相關(guān)特性，對