ZnO基复合气敏材料的可控合成及其气敏性能研究

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近年来随着我国工业化程度不断加深,工业废气、汽车尾气等有害气体的大量排放使空气污染越来越严重,已经威胁到了人类的生命健康安全。在众多气敏材料中,氧化锌作为一种n型半导体金属氧化物具备良好的理化性能及热稳定性是目前广泛使用的气敏材料之一。然而,传统氧化锌的响应值,选择性及操作工作温度已经不能满足实际应用的要求。本论文在考虑制作成本及使用寿命的前提下,设计研究了制备工艺简单,气敏性能优异的氧化锌基复合气敏材料,并对各复合产物的形成过程及气敏性能进行了较为深入的分析与研究,具体内容如下:采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)辅助溶剂热法,以PVP为柔性模板,醋酸锌为锌源,醋酸钴为钴源,乙二醇为溶剂,可控合成了自组装介孔ZnO/Co3O4微球,其粒径为0.5~1.5μm,由大量尺寸在40nm左右的氧化物颗粒自组装而成。自组装介孔ZnO/Co3O4微球产物的形成过程为PVP柔性模板的形成、纳米颗粒自组装、奥氏熟化过程以及后续焙烧过程,其中PVP作为模板骨架对产物的形成起到关键作用。气敏测试表明,与纯ZnO传感器相比,介孔ZnO/Co3O4微球传感器因独特的形貌及p-n异质界面的存在,其气敏性能明显提高,是一种有前景的乙醇气敏材料。采用PVP辅助水热法成功合成了鸟巢形ZnO/CuO产物,其尺寸为2~3 μm,由大量厚度为50 nm左右的多孔纳米片组装而成,纳米片之间存在空隙,一定程度上提高其比表面积,鸟巢形ZnO/CuO产物的形成过程可分为:成核、增长、熟化与结晶及焙烧过程,其中表面活性剂种类及碱源用量对产物能否形成鸟巢形影响巨大,通过性能对比可知,相比于纯ZnO传感器,鸟巢形ZnO/CuO传感器对乙醇气体表现出较低的工作温度及更高的响应值。采用简单的溶剂热法制备了 ZnO/α-Fe2O3微球产物,微球的尺寸为100 nm左右,由大量纳米颗粒组装而成。其形成过程可以描述为ZnO及α-Fe203成核及结晶生长过程。气敏测试结果表明,ZnO/α-Fe203微球传感器对乙醇气体气敏性能优异,且制备工艺简单,与ZnO相比更适合作为检测乙醇的气敏材料。
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