锌基复合氧化物的制备及其气敏性能研究

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ZnO是应用最早的一种半导体气敏材料,其物理化学性能稳定,可以检测多种气体,但也存在灵敏度低、工作温度高、响应时间长、稳定性差等不足之处,为了增强ZnO的气敏性能,常添加贵金属催化剂。贵金属能够改善ZnO的气敏性能,但成本高,容易发生贵金属中毒现象反而降低气敏元件的灵敏度和稳定性。因此,新型锌基复合氧化物材料的研究与开发已成为热门课题。复合氧化物制成气体传感器后可应用到许多方面,如农业、生物工艺过程,建筑业,检测汽车尾气、检测室内环境质量等环境保护行业,也可用于医疗卫生,交通管理像检测、监视驾驶司机是否饮酒等方面。今后锌基复合氧化物的研究方向将是降低制备成本,便于工业化规模生产操作,提高气敏性能,与其他材料联合使用构成综合式低消耗、智能化、多功能、集成化的气体传感器。 本研究采用工艺简单的溶胶-凝胶法制备出了尖晶石结构ZnM2O4(M=Fe,Co),利用XRD对产品的物相进行了分析,结合Scherrer公式对晶粒的原始尺寸进行计算;用SEM与TEM对粉体晶粒的形貌和粒径进行了观察;研究了不同煅烧温度、工作温度、气体浓度对材料气敏性能的影响。实验结果表明:ZnFe2O4和ZnCo2O4均对H2S气体敏感。采用苯甲酸为凝胶剂制备的ZnFe2O4在175℃时对100ppm的H2S气体的灵敏度为126,具有选择性好,响应-恢复快,稳定性好等特点。采用柠檬酸溶胶-凝胶法制备ZnCo2O4的操作工艺简单,成本低廉,所需反应温度低,ZnCo2O4材料制成的气体传感器对H2S气体有较低的工作温度和较好的稳定性。 利用柠檬酸溶胶-凝胶法合成Ni0.8Zn0.2O/ZnO复合材料,对前驱体进行差热分析,并研究了材料的气敏性能、阻温特性及敏感机理。结果发现,Ni0.8Zn0.2O/ZnO(600℃)对乙醇气体具有较好的敏感性,具有较低的工作温度125℃,较好的抗干扰性,能够达到酒敏元件的要求,稳定性好。 实验采用物理机械研磨法和化学溶胶-凝胶法分别制备了ZnO-In2O3材料。从总体上讲,化学法制备的ZnO-In2O3材料的微结构及气敏性能基本上均优于物理法制备的材料。具体表现为:两种合成材料的晶面生长不同,溶胶-凝胶法合成的ZnO-In2O3晶粒较小,分散均匀;溶胶-凝胶法制备的ZnO-In2O3(600℃)材料对50ppm的NO2的灵敏度高达451.6,抗干扰性较强。两种方法合成的ZnO-In2O3材料的电阻均随工作温度的升高而降低,表明他们的气敏机理模型为表面控制型模型。 采用水热法一步法制备出CdSnO3·3H2O,500℃高温煅烧后即形成了钙钛矿型复合氧化物CdSnO3。由XRD和TEM共同分析得,CdSno3·3H2O和CdSnO3的平均粒径均在20nm左右。气敏性能研究发现:CdSnO3最佳工作温度为50℃,此时对10ppm Cl2气体具有很高的灵敏度和选择性。值得一提的是:在室温时,CdSnO3对10ppm Cl2的灵敏度就可高达23670,而且选择性也很好。
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