Cu2O纳米材料的合成及其在VOCs传感器中的应用
由于具有低成本、简单高效、实时响应等特点，氧化物半导体气敏传感器在环境污染气体的快速、在线检测方面具有十分重要的应用前景。探索材料的气敏传感机理，合成具有灵敏度较高、选择性良好的气敏性能传感材料，进而制备稳定性优异的传感器器件对VOCs进行原位、实时监测具有重要意义。本文以研究p型Cu2O半导体材料为基础，考察了晶面与气敏性能的关系，借助p-n传感器阵列与场效应晶体管进一步提高了传感器的气敏性能，在此基础上制备了简易的酒精检测器。主要研究内容与结果如下: (1)利用湿化学还原法通过改变表面活性剂PVP的用量简单可控合成了暴露(100)与(111)晶面的四种形貌Cu2O，分别是立方体、截立方体、截八面体、八面体。通过改变NaOH的浓度可控合成了不同尺寸的立方体Cu2O。其中立方体Cu2O对苯、丙酮、NO2表现出更好的气敏性能，并且对丙酮和NO2表现出较高的选择性。与八面体Cu2O相比，立方体Cu2O对苯与丙酮表现出更高的催化活性，并且具有更小的表观活化能。在此基础上提出不同形貌Cu2O气敏传感机理:具有更低功函数与更高空穴激活能的(100)晶面使得立方体比八面体Cu2O具有更高的气敏性能。 (2)利用共沉淀法简单可控的制备了颗粒尺寸大小均一的Ga掺杂ZnO(50nm)(Ga-ZnO)与CdO活化Sn掺杂ZnO(20-50nm)(CdO-Sn-ZnO)纳米颗粒，用溶胶凝胶自蔓延燃烧结合共沉淀法成功制备了CdO活化LaFeO3(50nm)(CdO-LaFeO3)纳米颗粒。在各自最佳工作温度下成功组装了(C-Cu2O)-(Ga-ZnO)与(CdO-LaFeO3)-(CdO-Sn-ZnO)两组p-n传感器阵列。(C-Cu2O)-(Ga-ZnO)组成的p-n传感器阵列大大提高了对乙醇的灵敏度，(CdO-LaFeO3)-(CdO-Sn-ZnO)组成的p-n传感器阵列极大提升了对丙酮与乙醇的灵敏度，使得某一单一传感器对目标气体的的响应值以另一单一传感器对该目标气体响应值的倍数增长。测试结果与p-n传感器阵列的工作原理十分吻合，同时这也说明通过组装p-n传感器阵列提高检测气体的响应值是一种十分有效的方法。 (3)利用两种场效应晶体管(FET)K544与K264成功组装K544-Cu2O、K264-Cu2O两种传感器。两种传感器对乙醇响应信号均有较大放大效果，并且放大倍数均随乙醇浓度的变大而增加。其中K264比K544放大效果更佳，并且K264-Cu2O传感器对乙醇表现出较好的选择性及稳定性。场效应晶体管的放大原理:传感器在接触检测气体前后产生的回路电流变化引起了场效应晶体管电阻突变，场效应晶体管与固定负载电阻阻值总和的大幅度变化引起输出电压信号的大幅变化。以K264-Cu2O传感器为基础组装的简易酒精检测器能够成功识别50ppm乙醇。
传感器;氧化亚铜;纳米材料;合成工艺;气敏性能
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
李英霞
2017
中文
TP212;TP204
101
2017-08-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）