二维异质结气体传感器用于丙酮气体检测的研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:qianxr
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近年来,丙酮的排放量随着全球工业化进程不断加剧,过量的丙酮气体会对人们的健康造成危害,还能通过化学反应形成有机气溶胶,致使雾霾产生危害环境。同时,呼出气体中的丙酮含量与人体代谢密切相关,监测这类生物标识物的变化是评价生理状态的重要手段,因此研发高灵敏度抗干扰能力强的丙酮气体传感器是十分重要的。金属氧化物(例如SnO2、MoO3、ZnO等)已经被视作气敏材料广泛应用于气体传感器的构建。然而,基于单一氧化物构建的气体传感器通常存在工作温度较高,灵敏度较低以及恢复缓慢等问题。为了构建高性能的气体传感器,本论文以WS2纳米颗粒为原料,以硝酸作为氧化剂,通过原位氧化法一步制成含水的WS2/WO3异质结纳米片,随后在氮气气氛下进行退火,成功制备出WS2/WO3异质结材料。与传统的异质结材料制备方法相比,原位氧化法可以通过调控氧化剂浓度、氧化时间等因素实现对材料的异质结比例的有效调控,同时所构建的异质结结构均一且稳定。在最佳工作温度下对该异质结纳米片进行气敏性能探究,结果表明该传感器具备良好的重复性,选择性以及长期稳定性。在20 ppm至500 ppm浓度范围内,WS2/WO3异质结纳米片对丙酮的响应呈良好的线性,该异质结材料对20 ppm丙酮气体的响应为2.91,高于纯WO3的1.74。这表明利用异质结调节费米能级可以有效提高材料的气敏性能,克服了单一氧化物气体传感器的缺陷,该传感器在丙酮气体检测中表现出巨大的潜力,同时该方法也为制备结构稳定的异质结材料提供了新的思路,并丰富了WO3相关气体传感器的改进策略。丙酮气体的排放对环境和人类健康产生重大影响,需要进一步完善丙酮气体的监测。虽然ZnO纳米材料已经被广泛应用于丙酮气体检测之中,但是由于高的工作温度,以及恢复不充分等缺陷,其性能并没有达到预期。为了克服以上缺陷,本论文以ZnO多孔纳米片作为基底材料,其超大的比表面积为丙酮气体提供了大量的反应位点,同时引入WO3纳米晶颗粒,通过构建ZnO-WO3(NN)结,利用二者所形成的异质结结构提升ZnO的气敏性能。首先将溶剂热法制备的ZnO多孔纳米片以喷涂的方式固载在商用叉指电极上,然后以滴涂的方式将WO3纳米晶负载在ZnO表面,构筑ZnO-WO3异质结传感器。通过对工作温度,WO3纳米晶的修饰量等条件的细化,器件在250℃下对20 ppm丙酮气体的响应时间与恢复时间分别为79 s和469 s,相对纯ZnO多孔纳米片,响应时间以及恢复时间得到明显改善,此外灵敏度(Ra/Rg)也较ZnO有所提升。同时,ZnO-WO3气体传感器的重复性,选择性以及长期稳定性良好,对丙酮气体的检测限低至11.8 ppb。这项工作为设计高性能的气体传感器提供了新的策略,迎合了气体传感器高灵敏度、低功耗以及痕量检测的需求。
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