氧化铁/氧化铜复合材料的制备及其气敏特性研究

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气敏传感器(Gas sensor)可以针对特定气体,在不同浓度下进行有规律的响应,相对传统的气体检测方法,其检测更加迅速、便捷,安全、廉价。经过近几十年的发展,气敏传感器已经被广泛应用于工业、农业、医疗健康等方面。相对于传统的单一金属氧化物气敏传感器,多元金属氧化物具有工作温度低、气体选择性好、性能稳定以及检测限相对较低等优势。其中,多元金属氧化物铁酸铜(CuFe2O4)因其在气敏传感器的抗湿性、工作稳定性等方面具有明显优势而被研究者所逐渐关注。由于目前CuFe2O4气敏传感器尚处于研究初期,材料的性能有待于进一步研究与提高。本文围绕着CuFe2O4材料的结构与性能优化,从不同制备方法的角度出发主要开展了以下三方面工作:(1)通过共沉积法获得了 CuFe2O4颗粒,探究了表面活性剂SDBS浓度、反应过程中搅拌速度、反应时长对样品形貌及气敏性能的影响。实验结果表明:SDBS对晶体生长过程中晶型的控制至关重要。当SDBS浓度为其6倍临界胶束浓度,反应时长3 h,搅拌速率为1000 rpm时可获得具有最佳气敏性能的八面体CuFe2O4颗粒。其在100℃,对H2S气体的探测限最低可以达125 ppb。此外,该材料还具良好的循环稳定性和抗湿性。(2)采用硬膜板法以聚苯乙烯球(PS球,d=500 nm)为模板获得了 Fe2O3/CuO二维有序多孔阵列薄膜。研究发现该复合薄膜对乙醇具有较好的响应,在100℃下,最低探测限可达5 ppm。此外,进一步通过调节前驱体盐溶液中盐的种类、浓度等参数对二维有序多孔薄膜的形貌和性能进行了进一步优化。(3)采用溶胶凝胶法制备了 CuFe2O4粉末,并以葡萄糖为调节剂进一步优化产物的形貌以及其气敏性能。实验结果发现葡萄糖的添加量对CuFe2O4颗粒的尺寸具有较明显的影响,随着葡萄糖水溶液浓度的增加,颗粒的粒度逐渐减小。当葡萄糖的添加浓度为0.25 mol/L时样品具有最佳气敏性能。在50℃下,材料对NO2气体的最低探测极限可以达到500 ppb。
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