改性提高氧化锌纳米晶体的气敏性能及第一性原理计算
雾霾问题已逐渐成为人们日常生活主要关注的环境，而雾霾颗粒吸附空气中的有毒气体，如二氧化氮，二氧化硫和有机化合物，形成的二次污染，比雾霾本身的危害大得多。所以，能够快速检测环境有害气体是控制环境污染的一个重要途径。而气体传感器敏感材料的开发及其敏感机理的研究是技术关键。氧化锌(ZnO)，作为一种用途最广，研究最多的气体传感器敏感材料之一，是最有前景、最有研究价值的气敏材料。 1.简易可控，一步水热法合成暴露具有不同(0001)，(1(1)00)，(01(1)0)和(10(1)0)晶面百分比的氧化锌纳米盘和纳米棒系列。计算发现，(0001)晶面伴随着纳米盘＞纳米棒-1＞纳米棒-2＞纳米棒-3单调降低;而相对的，(1(1)00)，(01(1)0)和(10(1)0)晶面的百分数则单调增加。气敏测试表明，氧化锌纳米盘对二氧化氮具有最高的灵敏度。第一性原理计算表明:(0001)晶面具有最高的表面能;二氧化氮吸附在各晶面上，(0001)晶面的吸附能最低。与实验结果吻合。这个结果提供了新的途径来研究气敏性能与金属氧化物晶面之间关系，为新气敏材料的开发提供了一种可能。 2.分级结构的氧化锌和还原石墨烯-氧化锌杂化物通过原位溶液生长法成功合成。3D微/纳米氧化锌是由厚度约为40 nm的2D纳米片自组装而成的。气敏测试表明:杂化物比纯的氧化锌具有较高的灵敏度，同时操作温度也比纯的氧化锌低。尤其，2.52％还原石墨烯-氧化锌杂化物的灵敏度最高，5倍于纯氧化锌。同时，最佳操作温度从163℃降低到86℃，而温度的降低更有利于传感器的实际应用。石墨烯的复合提高气敏的机理归因于材料的大比表面，快载流子传输速度和氧化锌和石墨烯之间异质结的形成。第一性原理计算表明二氧化氮气体更容易吸附于还原石墨烯-氧化锌杂化物表面，与实验结果一致。 3.Al与Fe掺杂氧化锌的第一性原理计算表明:Al掺杂使氧化锌的费米能级朝导带移动，掺杂质的态密度态深入到导带中，这样铝的掺杂使氧化锌的导电性明显的提高，从而提高其气敏性能;不同量的Fe掺杂都使氧化锌的禁带带隙变小，同时，掺杂后两种掺杂比例的导带最小值和价带最大值都向低能级移动，而导带最小值的移动比价带最大值的移动相对多一点，这直接到导致了随着掺杂铁元素的变多，铁掺杂氧化锌的带隙变小，从第一性原理的计算角度证明了Fe掺杂提高氧化锌的气敏机理。
氧化锌纳米晶体;气敏性能;第一性原理
北京化工大学
硕士
化学
白守礼
2015
中文
TB383
83
2015-12-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）