【摘 要】
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随着工业化进程的快速发展,人们的物质生活水平得到极大的提高,但同时也造成了有毒有害气排放和易燃易爆气体泄露等问题。由于人类对这些气体的感知能力有限,因此,需开发高性能的传感器实现对这些气体的有效检测。目前,金属氧化物半导体气体传感器由于生产成本低、制备简单、使用方便以及能够检测大量气体等优点,在气体检测领域得到了广泛应用。众所周知,对于金属氧化物气体传感器,其敏感材料对传感器的性能具有重要的影响,
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随着工业化进程的快速发展,人们的物质生活水平得到极大的提高,但同时也造成了有毒有害气排放和易燃易爆气体泄露等问题。由于人类对这些气体的感知能力有限,因此,需开发高性能的传感器实现对这些气体的有效检测。目前,金属氧化物半导体气体传感器由于生产成本低、制备简单、使用方便以及能够检测大量气体等优点,在气体检测领域得到了广泛应用。众所周知,对于金属氧化物气体传感器,其敏感材料对传感器的性能具有重要的影响,为了实现对有毒有害气体的痕迹检测,亟待探索和开发性能优异的气敏材料。二氧化锡作为一种重要的n型宽带隙半导体,由于其具有良好的电学、光学和电化学性能被广泛研究。在气体传感器方面,二氧化锡基气体传感器普遍存在的工作温度高、选择性差、响应恢复缓慢等问题,因此仍需要通过形貌结构调控、异质结构筑、贵金属掺杂等手段改善其气敏性能。因此,本文以氧化锡材料为基础,采用溶剂热法和高温热处理,分别制备了Fe2O3/SnO2纳米立方体结构、SnO2/Sn S2复合纳米花结构和Sn S2/SnO2空心纳米球结构材料;通过化学还原法在其表面进行了Au NPs负载,利用多种表征手段对样品的微观组成进行了分析。制备出了旁热式、平面叉指电极和柔性电极结构的气体传感器,对传感器的气敏性能进行了测试,并探讨了气敏增强机理。论文的具体研究内容如下:(1)采用溶剂热和化学还原法制备了不同量Au NPs(0、0.5 mol%、1 mol%、2 mol%、4 mol%)负载的Fe2O3/SnO2纳米立方体结构,并将研制的气体传感器对二甲苯气体的气敏性能进行了测试。实验结果表明,贵金属Au NPs的负载显著增强了Fe2O3/SnO2传感器对于二甲苯气体的传感性能,且最佳负载量为1 mol%Au NPs,表现为在最佳工作温度200℃下对20 ppm二甲苯的响应值达到18.6,并具备快速的响应恢复特性。(2)通过溶剂热和热处理法合成了花状SnO2/Sn S2复合结构,通过化学还原法对SnO2/Sn S2复合结构进行(0、1 mol%、2 mol%、3 mol%、4 mol%)Au NPs负载。制备了基于平面电极结构的Au NPs@SnO2/Sn S2气体传感器。结果表明,Au NPs@SnO2/Sn S2复合结构气体传感器对氨气表现出良好的选择性。在最佳优化条件下,Au2NPs@SnO2/Sn S2传感器对5 ppm NH3的响应值达到5.7,是纯SnO2/Sn S2传感器的2.3倍。传感器的响应恢复速度为18 s/42 s,并表现出良好的重复性、长期稳定性和抗湿性。(3)本章运用溶剂热法合成了Sn S2/SnO2空心纳米球结构,并在其表面负载了(0、0.5 mol%、1 mol%、2 mol%、4 mol%)含量的金纳米颗粒,在聚酰亚胺基板上制备出柔性NO2气体传感器。通过气敏性能测试发现:传感器在室温条件下,最佳性能1 mol%Au NPs负载的Sn S2/SnO2传感器对1 ppm NO2的响应值为9.1(Sn S2/SnO2基传感器的响应值为4.4),且最低检测限达1 ppb。同时,传感器具有快速的响应/恢复特性、良好的抗湿性和机械性能。因此,该传感器有望实现对NO2气体的高性能测试。(4)最后本文从异质结构筑、Au NPs的敏化等方面对传感器的气敏机理进行了解释:一方面,异质结的形成可以改变敏感材料的电子耗尽层厚度,增加材料表面的活性位点;另一方面,Au NPs的协同催化作用进一步增加了电子耗尽层,降低了反应活化能,提高了传感器性能。
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