基于多种贵金属担载氧化钨复合纳米线的三乙胺气敏性能研究

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随着工业社会的发展,环境污染问题变得越发突出,人们开始逐渐意识到空气污染的危害性,并且通过各种方法对有毒有害以及易燃易爆气体进行监测。其中,气体传感器作为一种结构简单、易于便携和操作的传感设备已经被广泛应用于气体检测领域。在各类气体传感器中,基于金属氧化物半导体的气体传感器因其制作流程简单、性能较好、相对稳定、性价比高等优点引起研究人员的广泛关注。在金属氧化物半导体中,基于氧化钨纳米材料的半导体式传感器在过去的一段时间已经被广泛开发和应用,一些常见气体可以通过基于氧化钨纳米材料的传感器来检测。目前,针对三乙胺(triethylamine,TEA)气体的检测相关报道较少,其次对低浓度的三乙胺检测关注度不够,同时如何快速的检测三乙胺的浓度也是一个值得探究的问题。本论文以检测三乙胺气体为目标,通过不同方法解决目前三乙胺气体传感器的存在的三个问题,一是降低传感器的工作温度,二是增大传感器对低浓度三乙胺的响应值,三是加快传感器的检测速度。具体研究内容如下:1.通过静电纺丝方法和煅烧工艺,成功制备出不同摩尔比(at%)的金担载(Au-loaded)的氧化钨纳米线。利用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、透射电镜(TEM)、X射线光电能谱(XPS)等手段对样品的微观形貌和结构进行了详尽的表征。结果表明,其中在3.0 at%Au/WO3纳米线上均匀附着粒径约为14 nm的金纳米颗粒。此外,贵金属金的引入增加了复合材料的吸附氧含量。在后续的气敏测试中,金担载的氧化钨纳米线与纯的氧化钨纳米线均对三乙胺表现出良好的选择性。与纯的氧化钨纳米线相比,基于3.0 at%Au/WO3纳米线的传感器对三乙胺的最佳工作温度降低了40℃。此外,在这几种材料各自的最佳工作温度下,3.0 at%Au/WO3纳米线对20 ppm三乙胺(TEA)的响应值是纯的氧化钨纳米线对应值的5倍。显然,贵金属金的引入对提升氧化钨纳米线对三乙胺的气敏性能是一种十分有效的方法。2.以优化基于Au/WO3纳米线传感器性能为目的,同样使用静电纺丝法,成功制备摩尔比为1.0%、2.0%、4.0%的Pt/WO3纳米线,并对所制样品进行表征。XRD的结果表示所制备样品结晶度良好。通过SEM和TEM表征表明数量均匀的Pt纳米粒子担载在直径为150 nm WO3纳米线上。随后将合成的材料制作成传感器对三乙胺进行气敏实验,实验结果表明,基于2.0 at%Pt/WO3纳米线的传感器性能在三者当中最佳,相较于Au/WO3而言,在最佳工作温度保持180℃不变的同时,对20 ppm TEA响应值由72.8提升至202,恢复时间由238 s缩短到16 s,检测下限由500 ppb下降到100 ppb。除此之外,该传感器对三乙胺的检测具有良好的稳定性和较高的选择性。最后,结合表征结果,分析了Pt对基于WO3纳米线的传感器对三乙胺检测性能提升的原因。3.以进一步优化基于Pt/WO3纳米线的三乙胺气体传感器性能为目的,通过静电纺丝方法制备摩尔比为1.0%、2.5%、6.0%的Pd/WO3纳米线,并对所制样品进行表征。结合XRD表征结果可以得出产物结晶度较高且部分Pd纳米粒子掺杂进入WO3晶格,通过SEM和TEM表征结果表明三种不同摩尔比的样品都呈现出典型的纳米线形貌,且纳米线完整、连续、尺寸均匀。随后对利用材料制作气体传感器三乙胺开展气敏实验,结果表明,相较于Pt/WO3而言,在三组比例中,基于2.5 at%Pd/WO3纳米线的传感器的性能最优并且在两种不同工作温度下表现出不同的特性,其最佳工作温度相较于Pt/WO3的180℃而言,再次下降了20℃,同时对20 ppm TEA的响应值由202提升至1100,近5倍多,响应时间由130 s缩短至105 s,且最低能检测到10 ppb TEA。此外,该传感器在200℃下表现出快速响应和恢复的特性,其对20 ppm TEA的响应和恢复时间分别为67 s和6 s。最后,结合表征结果以及半导体物理相关理论,对Pd增大WO3气敏性能做出解释。
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