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近年来,随着生活水平的不断提高,人们对住房环境的要求也日益提高。室内装修改善了住房条件,但同时也带来了室内空气污染。甲醛是目前最主要的室内空气污染物,因此对甲醛准确及时检测显得非常重要,其中最为简单且快速的方法是气敏传感器法。钙钛矿型稀土金属复合氧化物ABO3具有良好的气敏性能,文献报道的实验研究结果表明:对ABO3的A位、B位分别进行部分替代掺杂或者同时进行部分替代掺杂后可以调整材料在气敏方面的性能。本论文以LaFeO3为基底材料,采用溶胶-凝胶法并结合微波化学合成法制备了不同金属离子掺杂LaFeO3纳米粉体,对其结构、形貌等进行了研究,并将其做成旁热式气敏传感器,研究传感器对不同气体的导电性、灵敏度、选择性和稳定性,从中优化选择出对甲醛气体具有较高灵敏度、选择性且性能稳定的掺杂组分和制备工艺技术,主要内容和结果如下:
1、B位掺杂LaFeO3材料的结构、导电特性以及气敏性能的研究本文选择了与Fe离子的电负性和离子半径相近的Mg、Zn、Zr、Ni、Cu离子分别对LaFeO3B位即Fe位进行掺杂。XRD分析结果表明:所制备的LaFe1-xMgxO3(x=0.4)、LaFe1-xZnxO3(x=0.4)、LaFe1-xZrxO3(x=0.2)、LaFe1-xNixO3(x=0.4)粉体仍然保持单一的正交钙钛矿结构,而LaFe0.7Zr0.3O3、LaFe1-xCuxO3(x=0.4)粉体也为正交钙钛矿结构,但出现杂相峰:随着金属离子掺杂量的增加,样品的衍射峰逐渐变宽,表明晶粒的平均粒径逐渐减小;相对纯相LaFeO3元件,掺杂Mg、Zn、Ni、Cu离子的样品所制备的元件电阻减小,而当Zr离子掺杂样品后所制备的元件电阻增大;LaFe1-xMgxO3、LaFe1-xZnxO3、LaFe1-xZrxO3对甲醛气体具有良好的灵敏度和较好的选择性,而Ni离子掺杂样品后所制备的元件对甲醛的灵敏度有了极大的降低。
2、A位掺杂的LaFeO3材料的结构、导电特性以及气敏性能研究本文选择了与La离子的电负性和离子半径相近的Sr、Y、Ce、Pb离子分别对LaFeO3的La位进行掺杂。XRD分析结果表明:所制备的La1-xSrxFeO3(x=0.4)、La1-xYxFeO3(x=0.4)、La1-xPbxFeO3(x=0.4)粉体仍然保持单一的正交钙钛矿结构,而La1-xCexFeO3粉体也为正交钙钛矿结构,但出现杂相峰;随着金属离子掺杂量的增加,样品的衍射峰逐渐变宽,表明晶粒的平均粒径逐渐减小;相对纯相LaFeO3元件,掺杂Sr、Pb离子的样品所制备的元件电阻减小,而Y、Ce离子掺杂样品后所制备的元件电阻增大;La1-xSrxFeO3元件对甲苯具有较好的灵敏度和良好的选择性,La0.9Y0.1FeO3元件对1ppm甲醛气体具有较高的灵敏度,为13.5,但选择性较差,La1-xPbxFeO3元件具有较好的甲醛的灵敏度和良好的选择性,La1-xCexFeO3元件降低了对甲醛的灵敏度。
3、LaFeO3复位掺杂材料的结构、导电特性以及气敏性能研究本文利用Mg离子和Y离子、Sr离子和Zr离子分别对LaFeO3进行了共掺杂来进一步改善其气敏性能。所制备的粉体均为单一的正交钙钛矿结构,其中随着Mg离子掺入La0.9Y0.1FeO3的量增多,样品的半高宽变宽,表明晶粒的平均粒径尺寸逐渐减小;而随着Sr离子掺入LaFe0.8Zr0.203粉体,相应粉体的半高宽变化不大,表明晶粒的平均粒径尺寸变化不大;相对La0.9Y0.1FeO3元件,Mg离子掺入La0.9Y0.1FeO3粉体之后,元件电阻有明显下降;Sr离子掺入LaFe0.8Zr0.203粉体后,元件电阻也有明显下降;La0.9Y0.1Fe0.9Mg0.103、La0.9Sr0.1Fe0.9Mg0.103元件都具有较好的甲醛的灵敏度选择性。
本论文的创新点如下:
(1)本文利用溶胶-凝胶法并结合微波化学法制备了金属离子掺杂LaFeO3粉体,通过XRD、TEM和纳米粒度仪表明制备出的粉体纯度高、粒径较小、分布较均匀。
(2)在掺杂金属元素的选择上:依据钙钛矿容忍因子的要求,参考金属元素化合物的气敏性能,选择了Mg、Zn、Zr、Ni、Cu、Sr、Y、Ce、Pb九种金属离子分别掺杂LaFeO3材料,并根据实验结果,对LaFeO3进行了共掺杂,其中LaFe0.9Y0.103、LaFe0.8Zr0.203、La0.9Sr0.1Fe0.9Zr0.103、La0.9Y0.1Fe0.9Mg0.103元件都能测试到很小的浓度且具有较高的灵敏度,且La0.9Sr0.1Fe0.8Zr0.203、LaFe0.8Zr0.203、La0.9Y0.1Fe0.9Mg0.103元件的选择性较好,为实用甲醛气敏传感器的开发提供了一种新思路,有望开发成一类新型的甲醛气敏传感器。