【摘 要】
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近年来,随着经济的快速发展,汽车和化工厂排放出的NO_2等气体日益增多。这就导致了严重的环境污染,对人类身体的危害也日趋严重,例如,当空气中NO_2的浓度达到53 ppb时,对人类的健康就会产生影响。因此,研发室温下具有低检测极限和快速响应时间的NO_2气体传感器是非常必要的,这也是当前气敏传感领域需要解决的关键问题。金属氧化物半导体气敏传感器因其高表面体积比,高温响应快、灵敏度高、价格低廉而应用
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近年来,随着经济的快速发展,汽车和化工厂排放出的NO2等气体日益增多。这就导致了严重的环境污染,对人类身体的危害也日趋严重,例如,当空气中NO2的浓度达到53 ppb时,对人类的健康就会产生影响。因此,研发室温下具有低检测极限和快速响应时间的NO2气体传感器是非常必要的,这也是当前气敏传感领域需要解决的关键问题。金属氧化物半导体气敏传感器因其高表面体积比,高温响应快、灵敏度高、价格低廉而应用广泛,但也存在工作温度高、能耗大和导电性差等问题,需要对其改性。本文选择SnO2作为检测NO2气体的基础材料,分别与Co3O4和Al2O3复合,或垂直可控构筑具有高活性的二维薄层MoS2气敏复合材料。其中垂直生长的活性MoS2等纳米片与多孔半导体SnO2纳米晶产生协同效应,增强与之复合的半导体的相互作用,构建层状结构与半导体间高速电子转移的通道,所组装的气敏传感器,能够解决目前室温传感器检测极限高和响应速度慢等问题。同时采用SEM、TEM、XRD、BET等表征测试手段研究了所制备复合材料的形貌、组成以及结构。对气敏的机理也进行了较为深入的研究。首先,本文以Sn Cl2·2H2O为原料,采用简单的静电纺丝法合成了一维SnO2纳米管(NTs),并采用水热法制备了SnO2-Co Al-LDH复合材料,然后经过高温煅烧合成了Co3O4-Al2O3/SnO2(CASNTs)异质结纳米复合材料。所制备的Co3O4-Al2O3/SnO2具有高的比表面积提供了大量的活性位点,有利于目标气体在其表面和内部的扩散、吸附和脱附。CASNTs复合材料中由于存在p-n(Co3O4-SnO2)异质结和n-n(SnO2-SnO2)同质结的协同优势,提高了电子输运能力。优化后得到的CASNTs-2纳米材料组装的传感器,在室温条件下对NO2气体的检测具有良好的灵敏度和选择性,响应时间为2.3 s,检测限低至5 ppb,具有潜在的应用前景。其次,采用静电纺丝和水热法制备了MoS2纳米片垂直生长在一维SnO2纳米管上的p-n异质结构复合材料。由于MoS2垂直生长的薄层形貌特征,使硫边缘活性位点在MoS2@SnO2异质结构中完全暴露。此外,在p-n异质结的界面提供了一个从SnO2到MoS2的电子转移通道,使MoS2成为NO2气体传感器检测中的电子供体。优化后得到的MoS2@SnO2-2异质结构复合材料在室温下对NO2气体检测具有良好的灵敏度和选择性,即在100 ppm下,其响应值(Ra/Rg)为34.67,是纯SnO2的26.5倍。反应时间(2.2 s)和恢复时间均较短(10.54 s),检测限较低(10 ppb),稳定性长达20周保持不变。这种简单的高性能传感材料的可控制备方法将有助于大规模生产室温型NO2气体传感器。
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