五氧化二钒纳米带气敏性能的实验与理论研究

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本论文采用实验与理论相结合的方法研究了五氧化二钒纳米带基气体传感器对乙醇气体的吸附与敏感特性。实验方面,以乙二胺四乙酸(EDTA)为导向剂,采用诱导水热法结合350℃后退火处理成功制备了具有超薄结构特征的五氧化二钒纳米带并测试了其对乙醇气体的灵敏度特性和气体选择性能。XRD分析表明合成的五氧化二钒纳米带沿[001]方向生长。气敏测试结果表明,五氧化二钒基气体传感器的最佳工作温度为250℃,在此最佳工作温度下传感器对3-1000ppm的乙醇气体表现出了高的灵敏度和快速的响应恢复特性。该传感器可用于稀薄乙醇的探测,其对3ppm乙醇气体的响应灵敏度为1.47,该探测浓度远低于医学领域中呼吸分析仪对乙醇气体的探测极限(200 ppm)要求。理论方面,基于第一性原理的计算方法中的密度泛函理论(DFT)并添加哈伯德参数予以修正的方法,采用Materials Studio软件的CASTEP模块在微观原子分子水平上探究了五氧化二钒纳米带对乙醇气体的吸附特性和敏感机理。首先,基于五氧化二钒纳米带实验样品的XRD数据建立了沿[001]方向生长、以(010)面作为最大侧表面和气体吸附表面的五氧化二钒纳米带模型;构建了乙醇分子在V2O5(010)表面7种不同位置的17种吸附模型并计算了相应模型的的吸附能、态密度图、电子转移特性,发现(010)表面O1(H)原子位置是最佳的气体吸附位;进一步建立了乙醇气体分子在V2O5纳米带表面O1(H)位置的吸附模型,吸附能和电子态密度计算结果表明,乙醇分子在V2O5纳米带表面形成了强的自发吸附,表面乙醇分子吸附引入了新的电子态密度,导致费米能级向导带方向的移动。电荷分布特性的分析表明,乙醇吸附导致电子从分子向V2O5纳米带转移,提高了吸附体系的电导率,降低了体系的电阻。这该理论研究结果与实验结果相一致;最后,研究了五氧化二钒纳米带对甲醇气体分子的敏感特性,实验及理论结果表明V2O5纳米带对甲醇气体分子的灵敏特性明显低于乙醇气体,五氧化二钒纳米带是一种更适用于乙醇气体高灵敏高选择探测的有发展潜力的敏感材料。
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