In2O3/纳米TiO2复合氢气传感器的制备与性能增强

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氢气,作为新能源的一种,其氢元素是宇宙中含量最丰富的,燃烧产物为水,燃烧热值大,没有污染产物,是一种理想的替代能源。但氢气无色无味,容易爆炸,其储存、运输和使用中的安全问题急需解决。本文致力于常温工作环境中的传感器氢敏性能的研究:通过不同半导体氧化物的复合、掺杂以及贵金属催化,期望得到在室温下响应时间、恢复时间、灵敏度等性能同时优异的传感器。研究工作主要包括以下部分:  采用水热法制备TiO2纳米片,进一步利用压片法制备了In2O3/TiO2复合压片氢气传感器,并系统研究了贵金属电极、样品的热处理温度及In2O3与TiO2的复合比重对传感器氢敏性能的影响。研究发现,压片法制备的氢气传感器在室温下均具有优异的氢敏性能。在Pt电极催化作用下,传感器的氢敏性能大大优于Ag电极传感器,其最低响应氢气的浓度达到1ppm,阻值变化达到106数量级。这是因为Pt电极显著降低了样品表面的吸附活化能。通过比较不同退火温度对传感器的性能影响,发现在600℃热处理过的样品有着最优的恢复性能,而在800℃下退火的样品只能检测1000ppm浓度的氢气,且响应和恢复时间急剧增加。与纯TiO2氢气传感器相比,In2O3/TiO2复合压片传感器具有增强的氢气传感性能,可检测最低浓度1ppm的氢气。这是由于In2O3/TiO2之间形成n-n同型异质结,引起了能带的弯曲,且在界面处具有良好的电接触及电荷转移性能。通过研究不同复合比重的In2O3的氢敏性能,发现复合20wt%In2O3的压片具有最好的稳定性,在不同浓度的氢气中都兼备较短的响应时间和恢复时间,其在1000ppm氢气中的响应和恢复时间分别达到5.5s和30s。此外,制备了掺杂0.1wt%石墨烯的TiO2纳米片压片。TiO2纳米片-石墨烯传感器在不同浓度氢气的灵敏度、响应和恢复时间都异常优异,在1ppm氢气中的响应和恢复时间分别为8s和10s,而在1000ppm氢气中的响应和恢复时间更是分别低至6s和2s。这源于石墨烯的高比表面及优异的电子传输能力。  采用阳极氧化法制备TiO2纳米管薄膜,探究不同的参数对纳米管结构的影响,并通过离心沉积In2O3,探宄其室温下的氢敏性能。以钛片为原料,在0.75wt%NH4F的丙三醇电解水溶液电解钛片,通过阳极氧化法得到TiO2纳米管薄膜。研究表面,采用20V的电压阳极氧化钛片2h制备得到的TiO2纳米管薄膜结构最优异。将20V的电压阳极氧化钛片2h制备得到的TiO2纳米管薄膜离心沉积10mL In2O3,溅射插指形状的Pt电极制备得到传感器,能够检测到最低浓度1ppm的氢气,在1000ppm氢气浓度下,响应时间达到10s,在100ppm氢气浓度下的灵敏度达到0.0407。In2O3的引入改善了纯TiO2纳米管传感器阻值过小的问题,在保留TiO2纳米管的中空结构优势的同时,更是构成了In2O3/TiO2n-n同型异质结,引起能带的进一步弯曲,加速了传感器对氢气响应。同时,In2O3/TiO2纳米管复合氢气传感器也兼具了较好的气敏恢复性能。
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