【摘 要】
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由于森林不断的被砍伐、化石燃料的过度使用,使得当今大气中CO_2的含量高出了工业革命之前时期将近一倍,引发了温室效应,碳循环失衡,海水酸化等环境问题。同时长期待在CO_2浓度较高的环境中,也会对人的身体产生伤害。因此,CO_2的检测技术成为当前研究的焦点。半导体气敏传感器具有制备工艺简单、成本低、体积小、灵敏度高和响应快等优点,成为了气体传感器研究的主流之一。本文选用SnO_2为气敏材料,利用厚膜
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由于森林不断的被砍伐、化石燃料的过度使用,使得当今大气中CO2的含量高出了工业革命之前时期将近一倍,引发了温室效应,碳循环失衡,海水酸化等环境问题。同时长期待在CO2浓度较高的环境中,也会对人的身体产生伤害。因此,CO2的检测技术成为当前研究的焦点。半导体气敏传感器具有制备工艺简单、成本低、体积小、灵敏度高和响应快等优点,成为了气体传感器研究的主流之一。本文选用SnO2为气敏材料,利用厚膜工艺制备CO2传感器。首先研究了SnO2浆料中各个成分对浆料挥发性、粘度、触变性和浆料中SnO2分散性能的影响。发现主溶剂中的松油醇和丁基卡必醇醋酸酯之比为7:3时,所得的溶剂在低温(100°C以下)下的挥发慢,在高温下(150°C以上)挥发较快,是最合适的主溶剂。当乙基纤维素和混合增塑剂的质量比为3:1时,且增塑剂中的邻苯二甲酸二丁酯(DBP)和邻苯二甲酸二辛酯(DOP)的质量比为2:1时,制得的有机载体有最佳的触变性。当表面活性剂三乙醇胺的含量为SnO2的1.5 wt%时,所配置的浆料有最低的粘度,分散效果最佳。在有机载体比SnO2质量比为5:4时,加入5 wt%乙基纤维素所配置的浆料粘度适宜,在印刷时不会出现流边或者浆料不能完全通过网板的现象,有最佳的印刷效果。在制备出性能良好的SnO2浆料基础上,采用丝网印刷的技术制备出了CO2厚膜传感器。为了提高SnO2传感器对CO2响应,本文在SnO2中掺入了不同含量的钯(Pd)纳米颗粒。研究发现当Pd为SnO2的1 wt%时,所制的厚膜传感器有在198°C下最大的响应,其值为1.36。所制备的CO2传感器能够检测浓度在1000 ppm以上CO2。研究了不同的工作温度对其性能的影响,发现最佳的工作温度为258°C,此时SnO2厚膜传感器对CO2有最大的响应值1.93。由于半导体气体传感器的工作温度通常较高,大大限制了其应用领域。在半导体气敏材料中加入光热材料可以替代传统的加热方式,有望用光能来激发半导体材料对CO2的响应。因此本文最后研究了一种新型的光热材料(Ti2O3),并采用有机-无机复合技术制备出不同Ti2O3含量和分别被γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、硬脂酸(SA)和吐温-80(Tween-80)改性后的Ti2O3-聚乙烯醇(PVA)柔性光热复合材料。这种光热材料有宽的吸收范围,能吸收波长为300 nm-2000nm的光。在5 Kw/m2的模拟日光灯照射下,这种柔性复合材料的表面温度能到达64.5°C。这种复合材料有很好的柔性,在多次的弯曲测试后仍能保持优异的光热性能。由硬脂酸改性后的Ti2O3-聚乙烯醇(PVA)柔性光热复合材料有最高的热导率和光热转换效率。这种性能优异的光热材料可以和CO2气敏材料复合,设计出一种在室温下由光能驱动的CO2传感器。进而可研究Ti2O3的含量以及在不同波长光的照射下对传感器性能的影响(该部分工作由于受新型冠状肺炎疫情的影响而未能如期完成)。
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