【摘 要】
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随着工业化进程的发展,空气污染问题日益凸出,人们也越来越重视对环境气体质量和成分、浓度的监测工作。气体传感器是一类对气体成分敏感并能够将其转换为电信号进行监测的装置,其在工业安全、医疗诊断、醉酒驾驶、家居装潢和空气质量监测等领域有广阔的应用前景。半导体金属氧化物型气体传感器是目前研究较多和应用较为普遍的一种气体传感器,具有使用方便、响应速度快、设备小型化、成本低廉和制备工艺简单等优点,但仍存在工作
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随着工业化进程的发展,空气污染问题日益凸出,人们也越来越重视对环境气体质量和成分、浓度的监测工作。气体传感器是一类对气体成分敏感并能够将其转换为电信号进行监测的装置,其在工业安全、医疗诊断、醉酒驾驶、家居装潢和空气质量监测等领域有广阔的应用前景。半导体金属氧化物型气体传感器是目前研究较多和应用较为普遍的一种气体传感器,具有使用方便、响应速度快、设备小型化、成本低廉和制备工艺简单等优点,但仍存在工作温度高、选择性较差、灵敏度有待提高等问题。敏感材料是决定气体传感器性能的关键。为制备出工作温度低、选择性好、灵敏度高的传感器,目前针对半导体金属氧化物敏感材料的研究多集中于纳米级尺寸金属氧化物的开发。通过不同的制备方法或多种制备方法相结合的方式,制备出具有特殊形貌结构、不同组分复合或掺杂的敏感材料,从而提高对气体的选择性、灵敏度等性能。本论文基于静电纺丝方法结合热处理等手段,制备了具有特殊串珠结构的Fe2O3纳米纤维,同时在此基础上通过金属阳离子的吸附与置换反应合成了多种具有不同形貌结构和第二相组分的复合纳米纤维,并以乙醇为目标气体探究了他们在气体传感方面的性能。实验的主要研究内容如下:（1）通过静电纺丝制备出粗细均匀的具有纤维网络状结构的PAN纳米纤维,将PAN纳米纤维浸泡在Na OH和NH2OH·HCl的混合溶液中,水浴加热进行纤维的表面功能化预处理。将预处理好的PAN纤维浸泡到Fe3+水溶液中,室温静置一段时间后取出并水洗、干燥,随后经过热处理得到具有串珠结构的Fe2O3纳米纤维。基于上述制备方法,将预处理后的PAN纤维浸泡在不同种类、不同浓度的金属离子水溶液中,热处理后获得一系列基于Fe2O3 NFs且具有不同种类和组分含量两种金属离子的纳米纤维。实验利用SEM、EDS等方法对纳米纤维进行表征,分析了引入不同种类第二种金属离子、引入不同含量第二种金属离子和交换第二种金属离子与Fe3+浸泡吸附的先后顺序对实验产物结构形貌和组分的影响。测试结果显示实验制得的Fe2O3 NFs保持了PAN的三维网络状结构,热处理后纤维直径由300 nm收缩到100 nm并且形成了由有序的Fe2O3颗粒连接而成的串珠结构。实验测试了带有偕胺肟基官能团的A-PAN对于不同种类金属离子的吸附能力,发现其对于Sn2+和Fe3+具有良好的吸附能力。通过优先吸附Fe3+,后吸附其他金属离子,可以有效改善金属氧化物纳米纤维的形貌,而对于优先吸附其他种类金属离子后吸附Fe3+的纤维材料而言,其形貌的连续性往往较差。同时,实验分析了引入第二种金属离子的反应机理和影响纳米纤维形貌和组分的可能原因。（2）实验将经过预处理并浸泡好Fe3+的PAN分别浸泡在与Fe3+相同浓度的Ni2+和Cr3+离子溶液中,制备得到掺杂有不同价态第二种金属离子的基于Fe2O3 NFs的纳米纤维。实验探究了掺杂第二种金属离子对Fe2O3 NFs形貌和状态的影响,并对它们进行了气敏性能的相关测试。测试结果显示,引入了Cr3+离子掺杂的Fe2O3-Cr在240℃下对于100ppm乙醇气体具有最佳的灵敏度1.72,相较于纯Fe2O3 NFs的灵敏度提高了13.2%,同时材料Fe2O3-Cr对乙醇气体还表现出了良好的选择性以及响应恢复速度。（3）选择气敏性能较好的Fe2O3/SnO2复合纳米纤维,通过改变浸泡的Sn2+离子溶液浓度,调节复合纳米纤维中Fe2O3和SnO2的含量,进一步研究了组分对其气敏性能的影响。实验结果表明,所制备的Fe2O3/SnO2 NFs、Fe2O3/SnO2-0.5 NFs、Fe2O3/SnO2-0.2NFs和Fe2O3/SnO2-0.05 NFs比纯Fe2O3 NFs具有更稳定的响应恢复速度,其中Fe2O3/SnO2NFs的灵敏度最高,在240℃下对于100 ppm乙醇气体的灵敏度为4.52,是纯Fe2O3 NFs的2.97倍,而Fe2O3/SnO2-0.05 NFs对氨气表现出良好的选择性。
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