四氧化三钴基掺杂及异质结构的二甲苯气敏特性研究
二甲苯是一种具有明显危害性的污染物，与空气混合后易引发爆炸，特别是对人体健康具有很大的威胁，长期接触会增加癌症的发病率。因此，开发出高性能的二甲苯敏感材料对环境保护和公共卫生安全都具有十分重要的意义。作为一种典型的p型金属氧化物半导体，四氧化三钴（Co3O4）具有优异的催化活性和多价态特性，在检测低活性气体方面展现出了独特的优势。然而，由于自身特殊的载流子传导机制，纯Co3O4基气体传感器往往面临工作温度过高、响应值较低等问题，严重限制了此类传感器的实际应用。现阶段，如何解决上述问题成为了气体传感领域的研究热点。在本论文的工作中，我们通过掺杂和构建异质结构的策略，有效调节了Co3O4的晶体结构和电子结构，显著提升了其对二甲苯气体的响应性能，结合理论模拟计算方法，系统分析了增敏机制。研究成果为开发高性能的二甲苯气体传感器提供了新的思路。论文的主要研究内容如下： 1、制备出In离子掺杂Co3O4花状结构，研究了不同掺杂含量对样品微观形貌、电子结构的影响。气敏测试结果表明，基于In@Co3O4-4样品的气体传感器在150℃下，对100ppm二甲苯气体的响应值为55.9，相比于纯Co3O4提高了3.8倍，并展现出了良好的选择性和抗湿特性。In离子掺杂有效增大了材料的比表面积、产生了更多的氧空位，增加了目标气体分子的反应活性位点，促进了响应性能的提升。设计出包含不同数量In离子的吸附模型，随着In离子数量的增加，Co3O4表面对二甲苯分子的吸附能绝对值呈现出先增大后减小的趋势，证明适量的掺杂能够有效增强敏感材料表面与目标气体分子之间的吸附作用。 2、制备出Fe离子掺杂Co3O4多孔结构，随着Fe离子掺杂含量的增加，材料的晶体结构、带隙、不同类型氧的含量均发生了明显的变化。气敏测试结果表明，基于3-Fe@Co3O4样品的气体传感器在相对较低的最佳工作温度下（120℃），对100ppm二甲苯气体的响应值为84.09，是纯Co3O4的5.6倍，并展现出较快的响应及恢复速率。Fe离子的掺杂引入了杂质能级，有助于载流子的跃迁，增加了氧空位含量的同时促进了Fe3+和Fe2+离子之间的可逆交换，增强了气敏性能。差分电荷密度和Bader电荷分析结果表明掺杂Fe离子有利于增强Co3O4表面与二甲苯分子之间的相互作用。 3、构建了NiO/Co3O4p-p型异质结构，系统研究了负载不同含量NiO对气敏性能的影响。结果表明，基于6wt%NiO/Co3O4样品的气体传感器在140℃下，对100ppm二甲苯气体的最高响应值为12.27，相比于纯Co3O4提高了3.74倍，并具备良好的气体选择性和抗湿特性。p-p异质结的形成增加了材料的基线电阻，增大了比表面积和氧空位含量，从而提高了对二甲苯气体的响应值。差分电荷密度结果显示，异质结构与二甲苯分子吸附界面附近的电荷密度更大。同时提出了二甲苯分子反应过程中C-H键优先断裂的分解机制。 4、构建了Co3O4/ZnOp-n型异质结构。气敏测试结果表明，基于Co3O4/ZnO-5样品的气体传感器在130℃下，对100ppm二甲苯气体的响应值为33.2，明显高于纯Co3O4（16.4），并展现出了较快的响应/恢复速率。紫外吸收光谱及DOS结果显示，p-n异质结的形成有效减小了材料的带隙，促进了载流子的输运，同时在气体响应过程中，对材料的电阻变化起到了重要的调节作用，是气敏性能提升的关键因素。
大气污染;四氧化三钴;掺杂改性;异质结构;二甲苯;气敏机理;氧空位
吉林大学
博士
凝聚态物理
乔治·列夫琴科
2023
中文
X51
2023-08-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）