层状前驱体法钴基多级结构气敏材料的制备及其气敏性能研究
随着中国经济发展以及工业化水平不断提高，环境污染问题日益严峻。大气污染主要来自于化石燃料的燃烧、工业生产废气及汽车尾气的排放，引发雾霾、酸雨以及臭氧层破坏等一系列环境问题，给人们的生产生活造成了严重危害。半导体气体传感器具有灵敏度高、响应恢复时间短以及成本低廉等优点，广泛应用于有毒有害气体的检测，半导体金属氧化物则是构建半导体气体传感器的关键材料。因此开展性能优异的半导体金属氧化物气敏材料的制备及构效关系研究在有毒有害气体的监测领域具有非常重要的意义。 Co3O4作为一种典型p型半导体材料，具有催化活性高、稳定性良好、电化学以及电磁特性优异等优点，广泛应用于诸多研究领域。但Co3O4的气敏性能相对较弱，存在响应值较低、选择性差以及响应温度较高等缺点，限制了其在气敏领域的应用。近年来，人们围绕提升Co3O4基半导体材料气敏性能开展了诸多研究，构筑半导体氧化物异质结构材料以及构筑石墨烯/氧化物复合材料是目前研究的热点。 针对目前Co3O4基气敏材料存在工作温度高、灵敏度低等问题，本论文以大幅度提高Co3O4基气敏材料气敏活性、灵敏度和响应速度为目标，基于水滑石类层状材料(HTLCs)组成和结构的可调控性，开展了层状前驱体法多级结构钴基气敏材料的制备，探讨了多级结构钴基气敏材料结构与性能之间的内在关系。首先采用共沉淀法制备了一系列不同Co/Ti摩尔比的CoTi-HTLcs前驱体材料，经焙烧制备了系列Co3O4-TiO2半导体异质结构材料。对材料晶相以及形貌结构进行表征分析，表明形成了Co3O4-TiO2异质结构材料。与多级结构Co3O4相比，Co3O4-TiO2异质结材料具有更大的比表面积(120m2/g)，能提供更多的吸附位点和活性位点，有利于气体的吸脱附及表面化学反应的进行;p-n异质结引起的内建电场导致Co3O4-TiO2异质结材料具有更大的电阻变化幅度，Co3O4-TiO2半导体异质结构材料气敏性能明显提升;其中Co/Ti摩尔比为4的Co3O4-TiO2异质结气敏性能最佳，在115℃时其对50ppm二甲苯的响应值为116，响应恢复时间分别为130s和150s，其气敏响应值为Co3O4的3.5倍。此外，该异质结材料具有较低的检测限、良好的选择性、重复性以及稳定性。 采用Hummers法以及超声剥离法制备了氧化石墨烯(GO)，利用其表面丰富的亲水性基团，采用共沉淀法在其表面原位生长Co-HTLcs制备了Co-HTLcs/rGO复合材料，然后在氮气气氛下焙烧获得Co3O4/rGO复合材料。通过一系列分析测试对材料的形貌以及晶体结构进行表征，验证了Co3O4/rGO复合材料的形成，并测试其气敏性能。结果表明，石墨烯修饰能够显著提升Co3O4半导体氧化物材料的气敏性能。当石墨烯添加量为20％、焙烧温度为300℃时，Co3O4/rGO复合材料在115℃时对50ppm二甲苯的响应达到最高响应值82，响应恢复时间分别为140s和160s。此外Co3O4/rGO复合材料具有较低的检测限、良好的响应恢复曲线以及优良的选择性。Co3O4/rGO复合材料优异的气敏性能归因于其具有较大的比表面积、rGO良好的导电性能以及Co3O4与rGo间的协同效应。
气敏材料;层状前驱体法;钴基;多级结构;制备工艺;气敏性能
北京化工大学
硕士
化学
李殿卿
2017
中文
TB381
110
2017-08-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）