ZnO基复合纳米材料对痕量有毒气体的气敏性研究
作为传感器家族的重要成员，气敏传感器可以通过将被测气体的成分浓度等特性转换为电信号来实现对气体的定量和定性检测，在工业、环境保护和医疗领域发挥着重要作用。ZnO基气体传感器是金属氧化物半导体传感器的最早且使用最广泛的分支。自上世纪被发现以来，它们因其成本低、携带方便、制备简单和高灵敏度而备受关注。 本文基于使用广泛的ZnO气敏材料，利用水热法制备了一系列ZnO基复合纳米材料，并将所制备的ZnO基复合纳米材料用作气体传感器，探究了其对低浓度H2S和丙酮气体的气敏性能，分析了异质结构的形成、贵金属掺杂和纳米尺寸对ZnO基气敏材料传感性能的影响。主要研究内容和结果如下： 1．采用两步水热法合成ZnS修饰ZnO纳米线的新型复合纳米ZnO-ZnS-x(x=5,10,15,20)异质结，并对其形貌和结构进行表征。结果表明，随着Na2S溶液浓度的增加，所形成的异质结中ZnS的含量增加，同时伴随着ZnO-ZnS异质结的纳米线棱线由清晰到模糊，表明ZnS壳结构的厚度增大。气敏测试结果表明，与纯ZnO-NWs相比，除ZnO-ZnS-20外，不同浓度Na2S溶液制备的ZnO-ZnS-x异质结在不同工作温度下对H2S的响应值均有显著提高，它们的最佳工作温度均为300℃。其中ZnO-ZnS-10对H2S表现出最高的气敏性，其在更低工作温度150℃时对5ppm的H2S的响应值（0.68）与纯ZnO-NWs在300℃时的响应值（0.72）接近，表明适当含量ZnS壳结构的形成可显著增强ZnO-NWs在较低工作温度时对H2S的响应，实现了传感器对H2S气体的低温检测，同时有效降低了传感器的能耗。该材料制备的传感器被放置5周后，其响应值随时间的变化较小，表现出很好的测量稳定性。 2.通过简单的一步低温水热法合成平均直径为150nm的ZnO纳米线，接着通过聚乙烯吡咯烷酮（PVP）介导的光化学沉积法（PCD）制备Pd掺杂的ZnO纳米结构，并对其形貌和结构进行表征，研究了其对丙酮气体的敏感性能。研究结果表明，PVP的添加量对Pd纳米粒子在ZnO纳米线上的负载情况有较大影响，当PVP的添加量为48mg时，Pd粒子在ZnO-NWs表面分散的均匀性最好；在200-400℃范围内，四种不同Pd掺杂量的Pd-ZnO-x（x=12,48,90,180）传感器对丙酮气体的响应值均比纯ZnO-NWs传感器高，其中Pd-ZnO-48在所有Pd-ZnO-x中具有最佳的气敏性能；所有传感器的最佳工作温度都为300℃，在此温度下Pd-ZnO-48传感器对20ppm丙酮气体的响应值为0.6，约是纯ZnO-NWs在相同条件下的响应值（0.23）的3倍。在相同浓度的8种干扰气体存在下，经比较发现Pd-ZnO-48比纯ZnO-NWs有着更高的选择性。 3.利用简单的低温水热法，通过合理调控初始原料中的摩尔比、水热时间、水热温度等参数，有效地调控纳米结构的尺寸，制备出平均直径为50nm的ZnO-NWs，采用PVP介导的光化学沉积法（PCD）在ZnO-NWs上掺杂Pd粒子形成Pd-ZnO-x（x=12,48,90,180）复合纳米结构，并对其形貌和结构进行表征，研究了Pd-ZnO复合纳米结构的尺寸对其气敏性能的影响。测试结果表明，与150nm的ZnO-NWs和Pd-ZnO-x相比，50nm的ZnO-NWs和Pd-ZnO-x传感器在灵敏度与选择性上表现出更大的优势。其中PVP添加量为48mg时制备的50nmPd-ZnO-48具有最高响应值，其最佳工作温度为300℃，该温度下其对1ppm、3ppm、5ppm、10ppm、20ppm的丙酮气体的响应值分别高达0.28、0.45、0.52、0.66、0.89。该超高敏感效应除了归因于Pd-ZnO之间的化学敏化和电子敏华效应，同时与ZnO的纳米尺寸效应有关。
气体传感器;氧化锌纳米线;ZnO-ZnS异质结;Pd掺杂;气敏性;水热法
上海应用技术大学
硕士
应用化学
郑丹
2020
中文
TP212
2021-11-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）