类球形多级结构锌基复合金属氧化物的制备及气敏性能
金属氧化物半导体材料具有高传感灵敏度、低成本、易于制备等特点，被广泛应用于气体传感领域。待测气体与材料表面化学吸附氧的反应活性是评价金属氧化物气敏性能的重要标准。然而，大多数金属氧化物半导体作为气敏材料只有在高温操作条件下才能与气体发生反应，人们通常采用掺杂、构建异质结、控制形貌等手段来提高电子传输速率、增加活性位点数量。研制新型高效的金属氧化物基气体传感器材料是该领域研究的热点之一。 本论文以提高氧化锌基气敏材料的传感灵敏度为研究目的，利用类层状双金属氢氧化物(LDHs)材料的组成和结构可调控的特点，以含锌LDHs材料为前驱体焙烧制备了两种类球形锌基复合金属氧化物气敏材料(ZnO/SnO2和CexOy/ZnO/SnO2),细致表征分析了材料的组成、结构及形貌，测试了复合物材料的H2S气体传感性能，并探讨了锌基复合金属氧化物气敏材料表面的H2S气体传感机制，主要研究内容如下: (1)首先采用尿素共沉淀法合成了类球形ZnSn-LDHs材料，然后以之为前驱体，经高温焙烧制备了类球形多孔锌锡复合金属氧化物ZnO/SnO2材料。研究了焙烧温度对于材料组成、织构、微观结构等性质的影响。表征分析结果表明，高温焙烧制备的ZnO/SnO2材料能够保持LDHs前驱体的类球形形貌。同时，SnO2复合形成的ZnO/SnO2复合物材料微观上生成大量氧空位。测试了不同焙烧温度下制备的ZnO/SnO2复合物材料的H2S传感性能，发现500℃焙烧制备的类球形ZnO/SnO2材料的气敏性能最佳，工作温度可以降至室温，理论检测下限可达35ppb,室温和最佳工作温度180℃下均具有40 s左右较快的响应/恢复时间，且同时具有较好的传感稳定性和H2S气体选择性。这主要归因于类球形ZnO/SnO2材料具有较大的孔隙率和比表面积，增加了气体透过率和反应面积，增加了活性位点的数量。同时,大量氧空位的形成增强了表面反应活性，提高了化学吸附氧和待测气体的吸附能力，提高了表面化学反应的速率。 (2)首先采用尿素共沉淀法合成了不同Ce含量的Ce/ZnSn-LDHs,以之为前驱体，在500℃空气焙烧得到了 CexOy/ZnO/SnO2复合金属氧化物。H2S气敏性能测试表明，Ce的最佳负载量为0.005,最佳工作温度为170℃。在此温度下对1 ppm硫化氢的灵敏度可达31,为不负载Ce灵敏度的4倍。另外，该三元复合物材料且具有一定的抗湿性，在RH=80％时仍具有较高的响应值(14)。推测CexOy/ZnO/SnO2复合材料具有优异的气敏性能的原因主要为:(a)复合物材料晶体中Ce容易结合晶格氧生成CexOy,能够有效提高吸附氧数量;(b)Ce3+和Ce4+之间的协同可以提高电子转移速率;(c)CeO2可以和一定数目的水分子以氢键结合，由此降低了水分子和目标气体的竞争，有效提高了材料的抗湿性能。
气体传感器;锌基复合金属氧化物;类球形多孔结构;硫化氢;气敏性能
北京化工大学
硕士
材料与化工
张法智;修冰水
2023
中文
TP212
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）