掺杂/负载型纳米二氧化锡—结构调控与有毒气体的传感研究

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近年来,由于有毒有害气体的频繁泄漏,造成大量人员伤亡和财产损失,人们对气体传感器的需求越来越多。在这些传感器中,金属氧化物半导体(SMOs)传感器具有高灵敏度,体积小,易于携带而被广泛应用。SnO2是一种典型的n型金属氧化物半导体气敏材料,已经被许多研究人员报道,广泛应用于有毒有害气体(H2S、CO、HCHO等)的检测,是最有潜力的气敏材料之一。然而,纯的SnO2由于其检测温度过高、选择性和稳定性差等,如何对SnO2修饰并提升其气敏性能成为了一个重要的研究方向。本论文采用简单的水热合成技术并辅以煅烧的方法制备了不同形貌结构的SnO2气敏材料。为了提高SnO2气敏性能,对这些材料通过金属元素掺杂、贵金属负载等方式以此提高气敏性能,并通过XRD、HRTEM、SEM、XPS、Raman等表征测试手段对材料的晶体结构、形貌、表面价态进行分析表征,对它们的气敏性能进行了详细的研究,并简单的分析了气敏机理,主要研究内容包括以下几个方面:(1)钨掺杂SnO2纳米颗粒的制备及其对H2S气敏性能的研究:采用简单的水热法制备了SnO2和不同含量的钨掺杂SnO2纳米颗粒,并对材料进行了XRD、HRTEM、XPS等表征。测试了这些材料在不同温度下对10 ppm H2S的响应,并统计了响应-恢复时间。根据灵敏度、响应-恢复时间等,确定了最佳工作温度为260℃,最佳样品为5%的钨掺杂SnO2。在最佳温度下,测试了5%的钨掺杂SnO2对不同浓度的H2S响应,以及对常见的几种气体选择性、可重复性和长期稳定性,并讨论了可能的反应机理。(2)PdO负载SnO2纳米颗粒的制备及其对CO气敏性能的研究:利用乙二醇具有还原性,在室温下将钯负载在SnO2上,进一步煅烧得到了PdO/SnO2气敏材料,并做了XRD、HRETEM、XPS等表征。通过在不同温度下对100 ppm的CO灵敏度测试,找到了最佳测试温度100℃,测试了该材料的选择性和长期稳定性,对1000 ppm的CH4、C4H10、H2做了响应测试,并讨论了PdO/SnO2对CO的气敏响应机理。(3)贵金属负载不同形貌SnO2的制备及其气敏性能的研究:采用简单的水热法合成了SnO2纳米花、纳米片、量子点,并用浸渍法进行了贵金属Ag、Au、Pt、Pd的负载。测试了这些材料在不同温度下对H2S和CO的气敏性能。在这些材料中,Pd负载的SnO2纳米片对100 ppm的CO响应最好,在160℃下灵敏度为6.8。Ag负载的SnO2纳米花对10 ppm的H2S响应最高,在100℃时响应超过了7000。
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