铁酸锂镧/氧化物半导体复合H2S气敏材料的制备与性能研究

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近年来,环境保护和生命健康问题受到越来越多人的重视。工业污染产生的有毒、有害气体造成了严重的大气污染,对人类身体健康和生命安全是一种无声的威胁。硫化氢(H2S)是人类生产生活中常见的一种高危性气体,具有易燃、无色、有异味等特点。暴露于一定浓度的H2S中,会损害人类的身体健康。因此,对H2S的实时、快速、高效和准确检测是保障生产生活安全及人类生命安全的关键。目前,金属氧化物(如Sn O2、WO3、ZnO、Ce O2和In2O3等)半导体气敏材料得到了广泛的研究。La0.5Li0.5Ti O3(LLTO)作为一种新型、立方钙钛矿结构的气敏材料,对H2S具有快速的响应,但存在工作温度高和灵敏度低等问题。针对这些问题,本文拟构建LLTO-氧化物半导体异质结复合气敏材料,以改善其H2S气敏性能,从而制备综合气敏性能优异的硫化氢气体传感器,并探究其气敏性能增强的机理。具体研究内容如下:(1)采用简单的溶剂热合成法制备出了不同摩尔比例的ZnO和LLTO纳米球状复合材料(SZTO),通过XRD、SEM、XPS、BET、UV-vis及ORR等表征测试手段对其成分组成和形貌结构进行分析。研究结果表明,复合后材料的表面形貌和尺寸与LLTO相似,但能带带隙变窄且氧还原能力增强,有利于提高气敏性能。并将纯LLTO和SZTO复合材料应用于硫化氢气体传感器中,对比两种传感器对H2S的气敏性能。结果表明,SZTO复合传感器比LLTO传感器灵敏度从4.09提高到了7.99,最佳工作温度降低了100°C,同时表现出良好的重复性、稳定性和选择性。(2)首先通过溶剂热合成法制备出纳米球状LLTO前驱体,然后通过浸渍法将其与纳米ZnO复合,制备出了ZnO和LLTO复合的n-n同型异质结结构的气敏材料(JZTO),并对其进行H2S气敏性能测试。研究结果表明,复合ZnO后,JZTO复合传感器的最佳工作温度与LLTO传感器相比,从340°C降低到240°C,灵敏度达到了10.63,是LLTO传感器最高灵敏度的2.6倍。JZTO复合材料传感性能明显提升可以归因于复合后材料n-n同型异质结的协同效应与表面氧空位浓度增加、比表面积增大、氧还原性能增强、禁带宽度减小的共同作用。(3)利用溶剂热合成与静电纺丝技术相结合的方法制备出了物质的量比分别为2:1、1:1和1:2的LLTO-In2O3纳米棒复合材料。在50~400°C工作温度范围内对该系列材料进行了系统地硫化氢气敏性能测试。研究结果表明,LLTO-In2O3复合传感器的起始响应温度为50°C,相比于纯LLTO,起始响应温度下降了150°C,显著扩宽了其工作温度范围,基本实现了在低温条件下准确检测H2S。LLTO-In2O3(1:1)的最佳工作温度从340°C降低到了160°C,提高了传感器的安全性和稳定性。同时,LLTO-In2O3复合传感器在最优条件下对50 ppm H2S的最大响应值达到116.61,是纯LLTO传感器最大响应值的28.51倍,综合传感性能明显提高。本研究为进一步开发安全系数高和各方面性能优良的传感器提供了新的研究方向,将在后续实际应用中彰显出巨大的潜力。
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