近年来,由于运输和工业中化石燃料的使用日益增多,我国大气污染控制已经成为一个不可回避的现实问题。国际节能环保协会(IEEPA)的研究材料显示,氮氧化物即NOx,是造成大气污染的主要污染源之一,也是直接导致我国各地阴霾天、酸雨、臭氧破坏、光化学烟雾等空气污染现象的主要因素。更为严重的是,除了造成空气污染之外,NOx还是威胁人类及动植物生存的一大杀手为了公共健康,环境卫生,工业生产安全,研发坚固耐用且高灵敏的氮氧化物传感器具有非常重要的战略意义。此外,在学术界有一个共识,即哮喘患者呼气中NO水平显著升高。通过分析呼出气体来检测人类疾病如肺癌,哮喘和糖尿病是一种新兴的医学诊断领域,而且其是非侵入性的,相对于传统血液分析方法是非常好的节约成本的替代方法。例如,健康人呼出气中NO平均浓度为6.7-16.2 ppb,而哮喘患者的浓度则在34.7-51.1 ppb的范围内。因此认为检测呼出气中NO浓度高于30 ppb时则表明人类可能患有由呼吸道炎症引发的哮喘,尤其是对幼儿。因此快速准确地检测NO的含量具有重要的医用意义。敏感材料是决定其传感器气敏性能的最关键性因素。研究表明,半导体金属氧化物是未来低成本,低功耗,高灵敏度和快速响应的NOx传感器的敏感材料的首要选择。半导体金属氧化物气体传感器的响应在很大程度上取决于材料的纳米结构和器件形态,如纳米尺寸效应和表面效应。相关的文献分析显示,WO3因其对NOx所具有的较高的灵敏度、优异的选择性、较低的检测下限以及较低的工作温度,是用于NOx检测的最有希望的材料。本论文总的思路是通过创新WO3与金属氧化物的组合方式;创新NOx气敏器件的构筑方式;创新材料的结构等进一步提高NOx传感器的性能水平。本论文的具体研究内容如下:(1)WO3/SnO2叠层厚膜型NO传感器。以球磨WO3和SnO2粉末制备为材料,采用丝网印刷的方法制备了 WO3与SnO2复合的厚膜型传感器并用于测试NO气体。通过表征和比较各个传感器件在250-500 ℃的温度范围内对NO的灵敏度发现,所得Pd/WO3/SnO2厚膜型器件性能最好,在400 ℃时对NO的响应度最高,且响应恢复速率较快。对该叠层传感器的气敏机理可解释为,具有Pd修饰的WO3表层确保器件对NO的良好响应,而SnO2底层为电荷传输提供快速路径,加快电子传输有助于快速恢复。(2)单晶WO3纳米线的NO气敏性能。为避免了常规的涂覆方法如旋涂或滴涂,需将纳米结构分散到溶液中,而造成的材料团聚,纳米结构被破坏和污染的缺点。本章通过创新气敏器件的构筑方式,采用水热的方式成功地在刻有电极的导电玻璃表面长出一层无纺布状单晶WO3纳米线薄膜,再通过通过在导电玻璃电极两端直接黏上电极制备出用于NO传感的气敏器件。对制备的W03纳米线进行表征发现,所制备的W03纳米线为结晶良好的单晶,并且直径较细。该传感器在300 ℃下对NO气体具有较高灵敏度(S = 83)和较快的响应和恢复速度(68 s/88s)。对其气敏机理经解释认为因为其较细的直径所以响应度较高,纳米线的完整性极大地保留了使其响应恢复速度较快。(3)花状分级结构W03的制备与NO气敏性能研究。本章主要通过创新材料结构来获得对NO高度灵敏的W03纳米材料。本章采用溶剂热法制备的由WO3纳米片自组装而成的纳米花状分级结构,同样该纳米结构可直接生长在涂覆有WO3晶种的导电玻璃上。借鉴第3章中制备器件的方法,通过在溶剂热前在导电玻璃上刻画电极和溶剂热后在电极上粘上引线制备来制备气敏器件。该方法所得WO3纳米片是结晶良好得单晶结构。而材料结构的创新之处体现在。通过在前驱体溶液中加入PdCl2可控地将W03纳米片多孔化,所制备的材料结构具有非常好的NO气敏性能。通过对合成机理进行研究发现,溶剂热前驱体中添加的尿素和草酸对其花状形貌的形成起重要作用,而添加少量的PdCl2可以跟尿素发生配合反应,因此弱化了尿素对其形貌的引导作用,从而得到多孔的W03纳米片。实验结果显示,花状纳米结构是优异的NO感测性能的主要来源,而多孔纳米片结构可以大大提高材料的活性。通过添加 0.1 mmol PdCl2所得结构的响应值最高,添加0.01 mmol PdCl2所得结构的响应和恢复速度最快。在金属氧化物半导体材料表面镀金属颗粒是一项重要的技术,可以在许多领域诸如如光催化和气敏检测中应用。本章我们还报告在WO3上生长贵金属颗粒的简易方法,即通过将WO3在抗坏血酸中处理得到具有弱还原性的WO3表面,然后在和水溶液中的氧化性金属离子之间发生原位氧化还原反应。这大大保证了 WO3原有的纳米结构不被损坏。没有任何附加条件限制该方法的应用,可以预见其是负载金属纳米颗粒到半导体材料表面的通用方法。所得Pd负载的WO3纳米花状分级结构在低温时对NO的气敏活性大大提高。