氧化物载体催化剂薄膜复合In2O3气体传感器的研究

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甲烷(CH4)与家庭生活,工业生产等方面紧密相关,是天然气的主要成分。它具有高挥发性和易燃性,是一种危险气体。因此,有必要开发用于甲烷检测的气体传感器。目前,金属氧化物半导体(MOS)气体传感器被用于许多场合的泄漏和监测。其中Pd-In2O3敏感材料由于制备工艺简单、造价成本低,气敏响应性能良好等优点,使其成为检测甲烷气体的重要选择之一。通过在Pd-In2O3敏感材料表面印刷Pt氧化物载体催化剂膜,降低其它气体对传感器的干扰,从而改善Pd-In2O3材料对甲烷气体的选择性响应。本论文采用热分解法制备了In2O3纳米颗粒,随后使用母液法制备了Pd-In2O3纳米材料,以Pt浸渍改性的氧化物载体催化剂作为气体过滤层。通过XRD、SEM、TEM、EDX和TPR等表征手段对材料进行表征分析,利用气敏传感器动态测试系统测试了不同Pd含量负载In2O3传感器和Pt催化剂修饰的Pd-In2O3传感器对甲烷的气敏响应能力,以及不同工作温度对甲烷气体的响应和选择性的影响。同时分别在干湿度条件下对甲烷气体的响应特性进行了探讨,结合不同环境下传感器电阻与氧分压的关系,探究了传感器对甲烷的选择性响应机理。结果表明制备得到的In2O3纳米材料属于立方相(JCPDS 06-0416),Pd元素以氧化状态均匀负载在In2O3纳米颗粒表面,其对In2O3纳米颗粒的表面形貌没有明显影响。气敏测试结果显示负载贵金属Pd明显提高了传感器对甲烷的气敏响应性能,随着负载量的增加,传感器对甲烷的气敏响应先增加后减小。同时传感器的气敏性能也受到工作温度的影响,随着工作温度的增加,Pd修饰的In2O3传感器对甲烷的响应先增强后降低。通过在敏感层印刷Pt催化剂膜显著提高了对甲烷的选择性,即使在CO、乙醇和NO2存在的混气条件下,传感器对甲烷的响应也没有受到干扰。可以认为,催化剂膜的高催化活性是选择性提高的主要原因。通过氧的幂律响应特征研究,分析了传感器电阻与氧分压之间的线性关系,结果表明氧气以O-的形式吸附在敏感材料表面。同时在湿度条件下抑制了材料表面的氧气吸附,导致传感器电阻减小。本论文中,Pt催化剂修饰Pd-In2O3传感器对甲烷气敏响应特性及机理的研究为开发高性能甲烷气敏传感器奠定了基础。为了使传感器更|加适应实际应用需求,后续还应提高传感器对湿度的抗干扰能力以及其它干扰气体的选择性。
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