锌基复合金属氧化物材料的制备及其氨气传感性能

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气体传感器广泛应用于工业、环境监测、民用等方面,检测和报警氨气、硫化氢、硫醇等有毒气体。金属氧化物半导体是一类重要的固态传感器材料,但是,传统的单一金属氧化物存在着工作温度高、检测限高等缺点。近年来,研究者采用复合、掺杂、表面修饰、形貌调控等方式,增加金属氧化物的传感活性位点,加速其电子传输能力。研发高性能的金属氧化物气体传感器材料仍然是该领域关注的热点。基于类水滑石(LDHs)材料独特的层板元素可调且均匀分布的结构特性。本论文采用锌基水滑石(Zn-based LDHs)作为前驱体,控制制备了两种复合金属氧化物气敏传感材料:ZnO/ZnCr2O4和Ru O2/ZnO/ZnCr2O4。表征分析了样品的形貌、组成及结构,探究出了复合金属氧化物材料的形成过程机制,测试了样品的氨气传感性能并且探究了其构效关系。主要的研究结果如下:(1)以ZnCr-LDHs为前驱体,空气焙烧制备了ZnO/ZnCr2O4异质结构复合氧化物材料。焙烧温度明显影响催化剂的组成与形貌。研究表明,ZnO/ZnCr2O4的形成主要分为四步:首先,ZnCr-LDHs层板结构被焙烧破坏,形成非晶态锌铬金属氧化物,同时保留了部分层板结构。然后,焙烧温度上升导致水滑石结构完全坍塌,出现ZnO晶相,Cr3+掺杂在ZnO结构当中。第三步为ZnCr2O4成核阶段,同时ZnO晶相生长。最后,ZnO和ZnCr2O4晶相继续生长,形成ZnO/ZnCr2O4复合金属氧化物。这两种晶相紧密接触,形成晶体界面。氨气气敏测试结果表明,在500°C焙烧时制备的ZnO/ZnCr2O4具有较好的传感器性能,工作温度低至室温,NH3浓度降低10倍至3.75 ppm和优秀的NH3稳定性,这主要归因于ZnO与ZnCr2O4两种组分之间的协同作用。两种晶相之间的界面提高了材料的电子转移能力,晶体表面上的活性位点较单一氧化物增多,由此提升了气体传感性能。(2)首先采用光沉积法将Ru3+负载到ZnCr-LDHs层板上,制得Ru/ZnCr-LDHs样品,然后通过空气焙烧得到Ru O2/ZnO/ZnCr2O4复合金属氧化物。测试发现,在500°C焙烧制备的样品具有最佳的传感性能,对NH3浓度降低至1 ppm和较短的响应与恢复时间。这是因为Ru O2的加入使得复合金属氧化物上的活性位点增多,从而大幅度提升传感性能。
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