【摘 要】
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全球经济以及工业化的迅速发展,同时也伴随着生态环境的急剧恶劣,尤其是近年来大气污染造成的温室效应已经影响到全球的各国人民,因此,对各种有毒有害污染性气体的实时监测及控制己经刻不容缓。金属氧化物半导体传感器,由于具有高灵敏度、较低的工作温度、较快的响应/恢复速度,近些年来在气体传感领域深受研究者的关注。In2O3作为一种重要的n型金属氧化物半导体,具备的独特物理以及化学性质使其成为优良传感器的潜在候
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全球经济以及工业化的迅速发展,同时也伴随着生态环境的急剧恶劣,尤其是近年来大气污染造成的温室效应已经影响到全球的各国人民,因此,对各种有毒有害污染性气体的实时监测及控制己经刻不容缓。金属氧化物半导体传感器,由于具有高灵敏度、较低的工作温度、较快的响应/恢复速度,近些年来在气体传感领域深受研究者的关注。In2O3作为一种重要的n型金属氧化物半导体,具备的独特物理以及化学性质使其成为优良传感器的潜在候选者。本论文通过溶剂热法制备具有多孔结构的In2O3纳米材料,并通过调控其结构、金属离子与之掺杂、构建p-n异质结方法进行气敏增敏。本论文的主要研究内容如下:1,采用一步溶剂热法制备了具有p-n异质结构的Co3O4/In2O3复合多孔纳米球。SEM测试结果表明,Co3O4的成功负载使得复合纳米球具备了多孔特性。气敏测试表明,经过Co3O4负载之后的In2O3样品相对于纯In2O3的气敏性能得到有效的提升,并且最佳操作温度从230 oC降为200 oC。其中由ICO-6(In:CO=100:6)样品所制备的传感器展现出最佳的气敏性能,并对甲醛具有最佳的选择性。在最佳温度200 oC条件下,ICO-6传感器对20 ppm甲醛的响应值可达到31.2,是纯In2O3响应值(13.9)的近3倍。综合表明,复合材料具备的多孔特性以及Co3O4与In2O3形成的p-n异质结能有效地提升材料的气敏性能。2,通过简单的溶剂热法制备出具有类海胆状的中空结构In(OH)3前驱体,然后将制备的氢氧化铟前驱体在不同温度下(350 oC;450 oC;550 oC)进行煅烧,形成与前驱体具有相同结构的海胆状In2O3中空球。通过对样品进行XRD、SEM、TEM和N2吸附-解吸测试分析,结果表明在煅烧温度350 oC条件下,制备了形貌均匀、比表面积高达122.02 m~2/g的In2O3-350中空球。在工作温度140 oC条件下,由In2O3-350样品制备的传感器展现出对HCHO的高灵敏性、高选择性、响应速度快、低检测限(50 ppb)等优异的气敏性能。重要的是,In2O3-350传感器在50 ppb到10ppm的HCHO浓度范围内也表现出良好的线性响应,显示了其定量检测HCHO的潜力。3,通过溶剂热法制备出不同Bi含量掺杂的In2O3。扫描电子显微镜(SEM)显示,加入铋源的In2O3样品的形貌、结构和尺寸与纯In2O3相比几乎未发生变化,EDS能谱元素图证明了铋元素的存在,除此之外X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)证实了Bi3+以掺杂的形式成功取代了In2O3中的In3+。气敏测试结果表明,Bi掺杂In2O3样品对丙酮气体具有最好的选择性,有趣的是,这与纯In2O3样品展示出对甲醛气体良好的选择性不同。此外,由IBO-3样品(In:Bi为100:3)制备的传感器在最佳工作温度220 oC下,对较低浓度(0.3 ppm)丙酮的响应值可达到1.36,丙酮浓度与响应值之间也呈现出良好的线性关系,特别的是,经过Bi掺杂的In2O3样品的抗湿性能得到大幅度提升,为其在呼出气中检测丙酮的浓度提供了可能。此外,我们对制备的样品又进行了光催化性能的测试,发现制备的样品在可见光对亚甲基蓝的降解性能最好,其中IBO-3样品具有最大的反应速率常数(0.0118),是纯In2O3样品(0.00267)的4.4倍。
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