ZnO纳米复合异质结材料的制备及其NO2气敏性能和机理研究
随着工业和科技的发展，空气污染走进公众视野。特别是，NO2是一种有毒气体，当暴露在ppm水平的NO2中时，直接导致人类健康恶化。此外，NO2也是酸雨产生的原因之一。因此，开发高灵敏度、低成本、免维护的NO2监测技术十分必要。金属氧化物半导体(MOS)由于具有易制造、低成本以及优良的稳定性等优点，在气体传感器应用中得到了广泛的研究和开发。ZnO因其宽带隙、高电子迁移率和无毒等特点，是一种理想的、被广泛研究的气体传感材料，但单一的ZnO基传感器表现出较低的传感性能。本论文主要通过的rGO-NiO/ZnO和ZnWO4/ZnO-rGO两个研究内容来分析NO2的气敏性能及其传感机理。 1.本文利用水热法和肼还原法合成了rGO-NiO/ZnO复合物来用于检测NO2。研究发现，在工作温度为140℃、相对湿度为33.7％的条件下，rGO(0.5 wt％)-NiO/32ZnO基传感器对2ppmNO2的响应达到80.1，分别是纯ZnO和NiO/32ZnO复合材料的4.55倍和1.38倍，同时表现较快的响应时间(39 s)和较低的检测极限(46 ppb)。气体传感性能的增强源于形成的p-n异质结有利于在接触处形成额外的耗尽层，同时rGO的修饰增加了表面活性位点，加速了电子转移。该工作将有助于改进基于金属氧化物半导体的气体传感器。 2.本文采用前驱体煅烧和肼还原的方法来制备6ZnO/ZnWO4-rGO(0.6 wt％)复合材料。其成分、形态和结构分析表明，6ZnO/ZnWO4成功地固定在rGO薄膜上。在rGO纳米片的修饰下，在ZnWO4和ZnO纳米粒子之间形成有效的p-n结。ZnWO4和ZnO纳米棒在rGO上的固定化不仅提供了更多的p-n结，而且显著提高了对NO2的气敏响应。在110℃下，所得的6ZnO/ZnWO4-rGO(0.6 wt％)三元复合材料对2ppmNO2(45.38)的传感性能较好，分别是6ZnO/ZnWO4复合材料和纯ZnO样品的1.53倍和2.32倍，同时表现较快的响应时间(35 s)和较低的检测极限(0.096 ppm)。此外，6ZnO/ZnWO4-rGO(0.6 wt％)复合材料对2ppmNO2的最佳操作温度为110℃，与纯ZnO(130℃)相比有所降低。同时，本课题采用双金属氧化物ZnWO4去修饰ZnO，同时也扩展ZnWO4在气敏领域的应用。rGO存在可以稳定ZnWO4-ZnO之间足够数量的有效p-n结，从而使6ZnO/ZnWO4-rGO(0.6 wt％)传感器对NO2具有优异的灵敏度。该结果为制备基于石墨烯装饰金属氧化物的气体传感器提供了一种简便有效的方法。
复合异质结材料;ZnO基传感器;肼还原法;气敏性能;传感机理
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
白守礼
2021
中文
O643.36
2021-09-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）