【摘 要】
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金属氧化物气体传感器由于响应时间短、成本低廉、操作可控、集成简单以及可制备成便携式的设备等优点而成为研究热点。但在实际应用中,传统金属氧化物的某些缺陷阻碍了气体传感技术的发展,比如存在能耗大、寿命短、工作温度高、灵敏度低、选择性不够、响应/恢复速度慢以及稳定性差等问题。近年来,发展迅速的金属有机框架(MOF)材料,作为一类新型的无机-有机杂化材料,由于其具有较大的比表面积、可调控的孔隙结构和优异的
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金属氧化物气体传感器由于响应时间短、成本低廉、操作可控、集成简单以及可制备成便携式的设备等优点而成为研究热点。但在实际应用中,传统金属氧化物的某些缺陷阻碍了气体传感技术的发展,比如存在能耗大、寿命短、工作温度高、灵敏度低、选择性不够、响应/恢复速度慢以及稳定性差等问题。近年来,发展迅速的金属有机框架(MOF)材料,作为一类新型的无机-有机杂化材料,由于其具有较大的比表面积、可调控的孔隙结构和优异的性能而获得广泛关注。金属有机框架材料制备金属氧化物时,在保留框架机构的同时可形成多孔和空心结构,有利于金属氧化物对目标气体的吸脱附和电子转移,因此MOF可成为多功能前体或牺牲模版,来构建新型微/纳米结构金属氧化物,为气体传感材料提供新的研究思路。本文采用简单的油浴加热法,制备出铟基金属有机框架材料CPP-3(In),采用浸渍的方式,使金属离子浸渍到CPP-3(In)的多孔结构中;然后以此为模板,通过高温焙烧去除有机配体,制备出衍生物金属氧化物材料。将敏感材料制作成气敏元件,实现了低温下对H2S气体的有效检测,并对气敏机理做了详细讨论。本文的主要研究内容包括:(1)采用简单的油浴加热法合成铟基金属有机框架材料CPP-3(In)。通过XRD和SEM对样品进行分析,合成的铟基金属有机框架材料为六角棒状结构,尺寸均一,平均直径为2.0μm,长度为10.0μm。并以此为模板,经过高温有氧焙烧后形成In2O3材料。将上述In2O3样品制备成气敏元件,测试其气敏性能。结果表明,基于In2O3的气体传感器能够将最佳工作温度降到70°C,对10 ppm H2S的灵敏度依然维持在57.2。此外,该传感器还表现出优异的选择性和可重复性。(2)采用简单的油浴加热法合成铟基金属有机框架材料CPP-3(In),通过浸渍的方式,使Ag+浸渍到CPP-3(In)的多孔结构中,得到Ag+/CPP-3(In)模板。并以此为前驱物,经过高温焙烧后形成Ag/In2O3材料。通过XRD、SEM、TEM、EDX、XPS和BET对样品进行分析。气敏测试结果表明,在最佳工作温度为70°C时,基于Ag/In2O3(2.5 wt%)的气体传感器对5 ppm H2S的响应是原始In2O3气体传感器的4倍。此外,基于Ag/In2O3(2.5 wt%)的气体传感器具有响应时间短、检测限低、工作温度低和对其他干扰气体的优异选择性等优点。(3)采用简单的油浴加热法合成铟基金属有机框架材料,通过浸渍的方式,使Cu2+浸渍到CPP-3(In)的多孔结构中,得到Cu2+/CPP-3(In)模板。并以此为模板,经过高温焙烧后形成混合金属氧化物Cu O/In2O3材料。通过XRD、SEM、TEM、EDX、XPS及BET对样品进行分析。气敏测试结果表明,在最佳工作温度为70°C时,基于Cu O/In2O3(3.5 wt%)的气体传感器对5 ppm H2S的灵敏度达到229.3,是原始In2O3气体传感器的8.5倍;检测下限进一步降低至200 ppb,响应时间进一步缩短至10秒内,选择性增强,具有良好的稳定性和重复性。该复合物的气敏性能与其表面化学吸附氧的种类和数量以及表面发生的化学反应密切相关,并从材料的独特结构、p-n异质结的形成方面详细探讨了竹状Cu O/In2O3气体传感器气敏性能增强的机理。
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