基于金属有机框架及MXene制备金属氧化物复合材料及其气敏性能研究

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随着人民生活水平的逐渐提高,国家对环境保护越来越重视,相应地在环保、家居、食品、安全等领域对各种有毒有害气体的探测都提出了更高的要求,特别是易挥发且有刺鼻性气味的硫化氢(H2S)、甲醛(HCHO)和氨气(NH3)等气体。近些年,金属有机框架材料(MOF)因为具有比表面积大、孔径可调、结构多样和表面可修饰等优点而成为气体传感器的重点研究对象,铟基金属有机框架材料CPP-3(In)就是其中的代表。已有研究表明由其焙烧制备的In2O3在低温下对H2S有很好的气敏性能,如何对MOF衍生材料掺杂和改性,包含形成p-n、n-n异质结等方法来提高材料敏感性能是本文的一个主要研究思路;本文选用钴离子(Co2+)和铈离子(Ce4+),对铟基MOF材料CPP-3(In)进行掺杂,再经过高温焙烧制备成p-n型C/In2O3和n-n型CeO2/In2O3复合物材料,并分别对其气敏性能进行了详细的探究。此外,随着室温气体传感器的研究成为了一种研究趋势,我们也试图选择新型MXene材料来降低工作温度并对其气敏性能进行了探究。本论文主要包含了以下三个部分:(1)采用简单的一锅油浴法合成含有钴离子的铟基MOF材料Co2+/CPP-3(In),将其在450℃焙烧1 h得到Co3O4/In2O3复合材料,并用XRD、SEM、EDS对样品的组成、形貌、元素状态进行了表征分析,将Co3O4/In2O3复合材料均匀涂抹在陶瓷管并焊接在基座上进行老化7天后测试其气敏性能。结果表明最佳比例Co3O4/In2O3-2样品在70℃下对5 ppm H2S气体检测的响应值约是纯In2O3材料的5倍,并且具有很好的选择性和可重复性。最后从MOF材料的结构特征、p-n异质结的形成等方面对Co3O4/In2O3复合材料的气体传感器气敏性能增加的机理进行了探究。(2)采用简单的一锅油浴法加热合成含有铈离子的铟基MOF材料Ce4+/CPP-3(In),将其在450℃下焙烧1 h后得到CeO2/In2O3复合材料,并用XRD、SEM、EDS对样品的组成、形貌、元素状态进行了表征分析。最后将样品均匀涂抹在陶瓷管进行老化7天后测试CeO2/In2O3复合材料的气敏性能。结果表明,CeO2/In2O3-3样品在最佳温度(160℃)下对50 ppm HCHO的响应值是59,约是同等条件下纯In2O3的3倍,检测下限为1 ppm,该传感器也拥有良好的选择性和重复性。之后,从铟基MOF的结构特征、n-n异质结的形成等方面对CeO2/In2O3复合材料基气体传感器敏感机理进行了探究。(3)通过水浴法制备出纳米粒子氧化铟(In2O3),采用氟化钠(NaF)和盐酸(HCl)刻蚀出V2CTX MXene,将纳米粒子In2O3和V2CTX MXene用去离子水溶解并超声6小时,最后离心干燥,得到系列的V2CTX/In2O3气体传感材料。通过XRD、SEM、EDS分别对样品的组成、形貌、元素分布进行分析,最后将样品均匀涂抹在陶瓷管上并静置24 h,最后对其气敏性能进行了评估。结果表明:最佳比例的V2CTX/In2O3气体传感器在室温下对50 ppm NH3有38%(|Rg-Ra|/Ra×100%)的响应。另外最佳比例的V2CTX/In2O3气体传感器具有优异的选择性、良好的稳定性以及可重复性。最后,从材料的结构特征等方面对V2CTX/In2O3气体传感器灵敏度增加的机理进行了探究。
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