摘要
甲烷(CH4)是一种无色、无味、易燃、易爆的气体，浓度在空气中达到4.9%~15%时，易与空气中其他气体发生反应，引起爆炸事故的发生，严重危害着人类的生命与财产安全。因此，如何实现快速、准确地检测甲烷及其浓度成为气体敏感领域研究的热点。金属氧化物半导体(MOS)传感器由于其较低的制作成本、较好的稳定性，便于携带等优点被广泛应用于有毒有害气体的检测。氧化锌(ZnO)作为最早的MOS气体敏感材料，具有良好的气体敏感性能，一直都是研究者追捧的对象。本文在前人对ZnO研究的基础上，研究其纳米材料的甲烷敏感性能。首先采用水热法合成棒状和片状ZnO，探究其结晶面与甲烷敏感性能的关系；其次，通过调控ZnO纳米材料的结构、表面缺陷及构造异质结等途径，提高其对甲烷的敏感性能，探究敏感机制。 1.采用水热-煅烧法，制备长度约为2~4μm，半径约为200~300nm的棒状ZnO(NR)纳米材料，以及通过调控反应溶液的pH值，制备出其尺寸约为400~600nm，厚度约为30~50nm的六边形片状ZnO(NS)纳米材料。甲烷敏感性能的检测结果表明，ZnO纳米片具有较好的甲烷敏感性能。相比于ZnO纳米棒制成的传感器，纳米片制成的传感器对甲烷不仅显示出较低的检测限(10ppm)，而且其工作温度也低至140℃。ZnO纳米片良好的甲烷敏感性能主要归功于所暴露的(002)极性晶面及其表面缺陷。 2.通过调控Sn2+与Zn2+的离子比例，制备出不同Zn2SnO4含量的Zn2SnO4/ZnO微米花。Zn2SnO4/ZnO微米花由多孔ZnO纳米片组成，半径约为2~5μm，多孔纳米片厚度约为15nm。甲烷敏感性能检测结果显示，通过Zn2SnO4修饰改性的ZnO纳米材料相较于单一ZnO纳米材料制成的传感器，具有更好的甲烷敏感性能。其中，Zn2SnO4/ZnO微纳米花传感器对甲烷的响应时间从ZnO传感器的138s缩短到了7s，同时展现出良好的重复性和长期稳定性。其增敏的机制主要归功于材料复合材料中形成的Zn2SnO4/ZnOn-n异质结、晶体缺陷等。 3.通过沉淀-煅烧法可控地制备出含一定量g-C3N4的花状g-C3N4/ZnO复合纳米材料。花状g-C3N4/ZnO复合纳米材料由多孔ZnO纳米片自组装而成，其直径约为1~2μm。甲烷的敏感性能检测结果显示，g-C3N4修饰后的ZnO对甲烷的敏感性能有明显的提高。当g-C3N4质量分数为3%时，其复合纳米材料制成的传感器对甲烷的检测能力达到最大。例如，对1000ppm甲烷的响应值达到11.9，同时响应恢复速度也提高了。此工作为开发甲烷传感器提供了一种新的途径。
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