金属氧化物/聚噻吩杂化材料和Pt-WO3的制备及气敏性质研究

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近年来,由于能源开发、航空航天、石油化工、安全生产等各个方面的需要,对易燃易爆、有毒性气体的监测就变得愈发重要。尤其是研制出灵敏度高、选择性好、稳定性好、响应恢复时间快、使用寿命长的气体传感器成为今后气体传感器的重要研究课题。因而,开发出具有实际应用价值的新型气敏材料,成为当前研究的热点。聚噻吩、聚吡咯和聚苯胺等导电聚合物以其在化学传感器、生物传感器、电子元器件以及因其出色的机械和导电性质,诸如操作温度低、低成本、易于加工、具有弹性等而应用于低成本的传感器及太阳能电池等方面潜在应用而引起了广泛地关注。但是它们也存在诸如化学稳定性低、机械可加工性弱等缺点而不利于导电聚合物在相关方面的应用。目前,广泛使用的气敏材料为半导体金属氧化物,这种材料存在着选择性差、操作温度高等缺陷。为克服聚合物气敏材料和金属氧化物存在的不足,一种以无机金属氧化物为无机部分,导电聚合物为有机部分而组成的有机无机杂化气敏材料,因其具有单一组成成分所不具有的相互协同作用以及互补性,有利于增强气敏传感性质,从而受到广泛的关注。本文开展了将有机/无机杂化材料用于气体传感器的研究,我们选择聚噻吩为有机相成分,二氧化锡、三氧化钨等典型的金属氧化物半导体为无机成分,采用原位氧化聚合法来制备不同的杂化材料,并研究其低温下(<100℃)的气敏性能,通过与单一材料的气敏性能作比较,分析杂化材料的敏感机理。并且采用贵金属Pt掺杂的方法对WO3基材料进行了改进,以达到提高气体灵敏度、选择性、降低工作温度的目的。主要的研究成果概括为以下几个方面:1.原位氧化聚合法制备了WO3/PTP杂化材料(PTP的质量分数为1%、10%、20%、30%和40%),气敏性测试结果表明,WO3/PTP杂化材料对甲醇、乙醇、丙酮、H2S气体都没有或者有很小的气敏性,但对NO2气体有好的选择性。并能在一定程度上缓解单一PTP材料对NO2的不可逆性。WO3/PTP杂化材料的灵敏度随PTP的质量分数的变化而变化。当PTP的质量分数为10%时,操作温度为70℃时,WO3/PTP杂化材料的灵敏度达到最大值。WO3/PTP杂化材料对NO2气体的敏感机理可认为主要是p-n异质结的作用。2.首次用胶溶-共沉淀法制备了Pt掺杂的WO3基气敏材料(Pt的质量分数分别为0.25%、0.5%、1.0%、2.0%),该材料在600℃焙烧2小时后用于性能测试。气敏性能测试结果表明,当Pt的掺杂量为0.5wt%时,元件的灵敏度最高;最佳工作温度为120℃,与纯WO3相比,降低了20℃以上。掺杂Pt后的W03气敏元件的气敏性能更好,对H2S有独特的选择性。0.5wt% Pt-WO3四个月后的测试结果表明,其对20 ppm H2S的灵敏度仍远远高于纯WO3,但是灵敏度有大幅下降,其中原因在进一步研究中。3.原位氧化聚合法制备hs-SnO2/PTP杂化材料,通过XRD、FT-IR、TGA、TEM等多种手段对材料进行表征,并研究其在低于100℃下的气敏性能。实验结果如下:以hs-SnO2/(20%)PTP为代表,研究发现其对NO2气体有较好的选择性且其操作温度远低于SnO2,并能在一定程度上缓解单—PTP材料对NO2的不可逆性。SnO2/PTP杂化材料的灵敏度随PTP的质量分数的变化而变化。当PTP的质量分数为40%时,在70℃下hs-SnO2/PTP杂化材料的灵敏度较高。hs-SnO2/PTP杂化材料对NO2气体的敏感机理可认为主要是p-n异质结的作用。
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