氧化钨多孔纳米材料的改性及其气敏、湿敏性能研究
纳米氧化钨(WO3)的非计量特性决定了其具有较为丰富的结构缺陷，从而能广泛适用于气体传感和湿度传感等。如何通过材料改性进一步提高其传感性能是近年来的研究热点，其中，元素掺杂改性和结构改性是提高材料传感性能的有效方法。碱金属掺杂到氧化钨晶格中会产生更多结构缺陷，吸附更多NO2气体和水分子，使得电子迁移率和吸附氧含量增大。通过比较不同碱金属掺杂以及碱金属共掺杂对WO3气敏、湿敏性能的影响，从结构缺陷、电子迁移率等方面研究碱金属掺杂提高WO3传感性能的机理，目前尚未见有研究。三维有序大孔材料(3DOM)拥有丰富的孔道结构，有利于NO2和水分子的吸附及流动，是一种较为优异的新型传感材料。因此，本论文即采用胶晶模板法制备了一系列碱金属单掺杂及共掺杂3DOM WO3纳米材料，应用于气敏、湿敏检测，并探索碱金属掺杂对3DOM WO3材料传感性能的影响机制。具体内容如下: 1、合成了一系列不同碱金属掺杂的3DOM WO3纳米材料并对其进行气敏性能测试，结果表明Li掺杂对材料NO2气敏性能的提升最为明显。3DOM WO3/Li在最佳工作温度150℃时对500 ppb NO2气敏响应值为258，比纯3DOM WO3的响应提高了7倍左右。此外，3DOM WO3/Li在室温(25℃)下对500 ppb NO2的灵敏度也高达55。通过多种电镜表征，证明合成的样品为孔径均匀的三维有序大孔材料，这种有利的形貌是提高材料气敏性能的因素之一。利用X射线衍射、霍尔效应等表征技术研究发现，碱金属掺杂提高气敏性能主要归因于对材料结构性能和电子性能的优化，即碱金属掺杂增大了材料结构缺陷含量和电子迁移率。该研究结果对纳米WO3气敏性能改性及其机理探索具有很好的借鉴意义。 2、利用胶晶模板法制备了Li/K共掺杂3DOM WO3纳米材料，并用于湿度检测。通过与纯3DOM WO3及Li单掺杂3DOM WO3对比，发现Li/K共掺杂更加有利于提高材料的湿敏性能。结合X射线衍射、X射线光电子能谱、固体紫外漫反射光谱等表征手段，发现共掺杂能有效促进材料结构缺陷和表面吸附氧的形成。此外，共掺杂材料内部的Li+由于较大的电荷密度，能高度极化材料表面的水分子，促进其解离为H+和H3O+，参与导电。K+掺杂入WO3晶格内部有利于材料载流子浓度的提高，可能进一步增大材料的导电能力，从而提升共掺杂材料的湿敏性能。
多孔纳米材料;氧化钨;碱金属;胶晶模板法;传感性能
北京化工大学
硕士
化学
王志华
2017
中文
TB383
84
2017-08-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）