摘要
随着工业化进程的发展，易挥发有机溶剂的使用量逐渐增加。挥发性有机气体不仅容易引发呼吸道疾病，而且容易引起安全事故。金属氧化物半导体气体传感器具有结构简单、低成本、高灵敏度等优点，在检测有机挥发气体领域具有广泛的研究和应用。其中，ZnO是研究较早且应用领域最广泛的气敏材料之一。由于使用环境的复杂性，ZnO气体传感器在使用过程中仍存在着选择性差、最佳使用温度高、检测极限高等问题。通过系统研究材料结构和组成对ZnO气敏性能的影响规律，分析ZnO基敏感材料的气敏作用机理，探寻提高ZnO基气体传感器的有效方法，对提高环境检测能力和保障生产安全具有重要意义。 本文采用水热法、溶胶-凝胶和化学沉淀等方法合成了多孔ZnO超薄纳米片、In2O3/ZnO和Zn2SnO4/ZnO异质结构，通过结构设计和组成调控，提高了ZnO基气体传感器的气敏性能，并对其气敏机理进行了分析。具体工作如下： 1、以氧化石墨烯(GO)为模板，以硝酸锌为主要原料，以环六亚甲基四胺为沉淀剂，采用水热法合成ZnO前驱体，并通过对其进行热处理制备出多孔ZnO超薄纳米片。采用XRD、SEM、TEM等对产物的晶体结构和微观形貌进行表征，研究石墨烯对产物结构和形貌的影响。气敏性能测试结果表明，多孔ZnO超薄纳米片在340℃下对100ppm乙酰丙酮的灵敏度是191.1，大约是未添加氧化石墨烯的ZnO纳米簇的4倍，响应-恢复时间分别是19s和94s。采用EPR、PL、Raman等对多孔ZnO超薄纳米片的气敏机理进行分析，阐明了其气敏作用机制。研究表明，采用石墨烯为模板制备的多孔ZnO超薄纳米片比表面积为130.5m2/g，较大的比表面积为气敏反应提供了大量的活性位点。此外，其表面具有大量的氧空位，丰富的氧空位促进了氧分子的吸附和离子化进程，减小了禁带宽度，从而提高了气敏性能。 2、以乙酸锌为主要原料，以聚乙烯吡咯烷酮为表面活性剂，采用溶胶-凝胶法合成ZnO纳米棒。以ZnO纳米棒为基体，以硝酸铟为修饰原料，十六烷基溴化铵为沉淀剂，采用化学沉淀法制备了In2O3/ZnO前驱体，并通过对其进行高温煅烧制备了In2O3/ZnO异质结复合材料，采用XRD、SEM、TEM和XPS对产物的晶体结构和微观形貌进行表征，研究了In2O3纳米颗粒的修饰对产物结构和形貌的影响。气敏性能测试结果表明，In2O3/ZnO异质结复合材料在370℃对100ppm正丁醇的灵敏度为104.3，分别是ZnO纳米棒和In2O3纳米颗粒的3.5倍和5.3倍，对4ppm正丁醇的响应-恢复时间分别为6s和9s。采用BET和能带结构理论进一步分析，阐明了其气敏作用机制。研究表明，In2O3/ZnO异质界面的存在促进了电子转移，有利于增加电子耗尽层和电子堆积层的厚度。此外，In2O3/ZnO异质结复合材料的比表面积为39.1m2/g，较大的比表面积也提供了更多的气敏反应位点，从而提高了气敏性能。 3、以ZnO粉末和SnCl4·5H2O为原料，以NaOH为沉淀剂，采用水热法制备了前驱体。通过对前驱体进行热处理制备了Zn2SnO4/ZnO异质结复合材料，采用XRD、SEM、TEM等对产物的晶体结构和微观形貌进行表征，研究了材料的组成和结构对Zn2SnO4/ZnO异质结复合材料三乙胺的气敏性能。测试结果表明，Zn2SnO4/ZnO异质结构在200℃对100ppm三乙胺的灵敏度为175.5，分别是ZnO纳米片和Zn2SnO4纳米线的30.8倍和47.4倍，响应-恢复时间分别为10s和27s。采用BET和能带结构理论进一步分析，分析了Zn2SnO4/ZnO异质结构的气敏作用机制。Zn2SnO4纳米线分散在ZnO纳米片层间，一方面促进了电子从Zn2SnO4的导带转移至ZnO的导带，在ZnO表面产生更多的吸附氧，另一方面促进了ZnO纳米片之间的电子迁移，从而提高了气敏性能。
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