【摘 要】
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氧化锌（Zn O）作为常见的半导体金属氧化物,因其稳定的物理和化学性质、大的禁带宽度（3.37 e V）以及制备简单等优点引起广泛关注,经常被应用于气体传感器、光催化以及太阳能电池等领域。本论文对多孔Zn O基复合材料的制备以及气敏性能进行了系统的研究。具体研究内容如下:（1）Co-C3N4/Zn O复合材料的制备及BTEX气敏性能的研究本研究采用简单的水热法制备了Zn O前驱体纳米片,并利用前驱
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氧化锌（Zn O）作为常见的半导体金属氧化物,因其稳定的物理和化学性质、大的禁带宽度（3.37 e V）以及制备简单等优点引起广泛关注,经常被应用于气体传感器、光催化以及太阳能电池等领域。本论文对多孔Zn O基复合材料的制备以及气敏性能进行了系统的研究。具体研究内容如下:（1）Co-C3N4/Zn O复合材料的制备及BTEX气敏性能的研究本研究采用简单的水热法制备了Zn O前驱体纳米片,并利用前驱体固相合成方法成功制备了Co掺杂的g-C3N4和Zn O的复合纳米材料（Co-C3N4/Zn O）。利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对Co-C3N4/Zn O的微观结构进行了表征,并用X射线光电子能谱（XPS）表征了复合材料的化学键态。系统研究了Co-C3N4/Zn O传感器对BTEX气体的响应特性,研究结果显示复合材料气体传感器的气敏性能得到显著改善。Co-C3N4/Zn O传感器对BTEX气体在370℃下有最高响应。Co-C3N4/Zn O传感器对邻二甲苯、间二甲苯和对二甲苯的响应比本研究中其他BTEX气体有更高的响应,对对二甲苯的响应比纯Zn O传感器高11倍,响应恢复时间为2 s/2 s。此外,对Co-C3N4/Zn O传感器进行了稳定性测试,发现在14周后仍具有非常好的稳定性和重复性。其气敏性能提升主要归因于:（1）Zn O和g-C3N4的费米能级的不同导致部分电子由g-C3N4转移到Zn O,使得Zn O的载流子增加,从而增加了活性氧物种的数量。（2）Co-N键作为催化活性中心促进表面吸附氧转化为活性氧物种。（2）Fe、Mn-C3N4/Zn O复合材料的制备及BTEX气敏性能的研究受到上述研究的启发,我们推断其余的过渡金属的掺杂也会带来气敏性能的提升,故本研究采用上述研究方法成功制备了Fe-C3N4/Zn O和Mn-C3N4/Zn O复合纳米材料,对其微观形貌进行了表征并系统研究了对BTEX的气敏性能。研究结果表明,复合材料气体传感器的气敏性能得到明显改善。Fe-C3N4/Zn O和Mn-C3N4/Zn O传感器对BTEX气体在370℃下有最高响应。复合材料气体传感器对邻二甲苯的响应最高,分别是纯Zn O传感器响应的11.3和12倍。另外,复合材料气体传感器对低浓度的（2 ppm）邻二甲苯有着明显的响应,显示出良好的应用前景。气敏提升的主要原因在于Fe-N、Mn-N可以作为催化活性中心促进表面吸附氧发生氧化还原反应形成活性氧物种,增加了活性氧的数量。由上述结果可以获悉过渡金属掺杂g-C3N4可以有效改善半导体金属氧化物的气敏性能。（3）Zn O/Ti3C2Tx传感器的制备及其丙酮性能的研究二维材料（Ti3C2Tx）因其表面具有丰富的官能团以及高的比表面积得到了研究者们的广泛关注。本研究通过简单的水热法制备了多孔Zn O纳米片,利用有机溶剂分层以及超声的方法制备了少层Ti3C2Tx纳米片,然后利用简单的研磨混合制备了Zn O/Ti3C2Tx纳米复合材料。系统研究了Zn O/Ti3C2Tx传感器对丙酮的气敏性能。研究结果表明,Zn O/Ti3C2Tx传感器不仅降低了对丙酮的最佳工作温度,而且提高了对丙酮的响应值。此外,Zn O/Ti3C2Tx传感器的检测下限低至0.5 ppm,可以用做人体呼气中丙酮的检测。复合材料气敏性能的改善归因于:（1）Ti3C2Tx表面的官能团和丙酮之间有着较强的氢键,促进了丙酮的吸附。（2）Ti3C2Tx与Zn O的功函数不同,导致Ti3C2Tx部分电子转移到Zn O,增加了活性氧的数量。
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