摘要
随着科技和人们安全意识的提升，气体传感器在环境保护、工业安全监督、智能家居和医疗等领域起着愈发重要的作用。其中，基于半导体金属氧化物的电导式气敏传感器作为应用最多的一种传感器，具有成本低和气敏检测性能突出等优点。Fe2O3半导体纳米材料具有高电导率和高催化活性等优秀特质以及高的研究价值，使它在气敏传感器领域的众多金属氧化物中脱颖而出。本课题主要对氧化铁基气敏材料及其气体传感器进行了深入研究。本论文主要研究工作如下： （1）采用溶剂热法和水热法分别结合正交试验法制备了典型对乙醇具有高响应的γ-Fe2O3和对丙酮具有高响应的α-Fe2O3纳米材料。通过SEM和XRD表征方法对最优实验方案合成的两种Fe2O3材料进行了探究分析，发现它们分别由分散性较好的球状体和棒状体纳米颗粒组成，验证了晶体结构分别为α型和γ型。对Fe2O3材料进行了气敏性能测试，基于γ-Fe2O3纳米球的气敏传感器在工作温度260℃下对乙醇表现出高选择性和高响应；α-Fe2O3纳米棒气敏传感器在240℃下丙酮展现出优秀的气敏性能。 （2）以制备的纯γ-Fe2O3纳米球为基础，利用氨基酸合成法制备了Au负载γ-Fe2O3气敏材料来提升传感器的气敏性能。采用不同表征手段对产品材料的微观结构等信息进行了探究。通过多项气敏测试实验，对比分析了纯γ-Fe2O3和载金γ-Fe2O3材料对乙醇的传感性能。结果表明，γ-Fe2O3纳米球材料在负载Au颗粒后对乙醇的气敏性能得到了显著改善，基于该复合材料的传感器表现出更低的工作温度（200℃）和更高的响应值56.7。根据机理分析，Au纳米粒子的电子和化学敏化效应是提高其气敏性能的主要原因。 （3）以制备的纯α-Fe2O3纳米棒气敏材料为基础，采用溶剂热法制备了ZnO/α-Fe2O3异质结复合材料来提升传感器对丙酮的气敏性能。通过表征方法证实了α-Fe2O3与ZnO颗粒的有效结合。气敏实验结果表明，与纯ZnO和α-Fe2O3相比，基于ZnO/α-Fe2O3(S-2)的气敏传感器对丙酮表现出更优秀的气敏性能，其在220℃下对丙酮具有更高的响应值（62.8/100ppm）、更迅速的响应/恢复时间（4s/10s）。根据机理分析，ZnO/α-Fe2O3(S-2)材料的独特结构和n-n异质结效应增强了传感器对丙酮的气敏性能。 （4）以合成的Au-loadedγ-Fe2O3和ZnO/α-Fe2O3这两种高性能复合纳米材料为基础制备了旁热式乙醇传感器和丙酮传感器，并以这两种气体传感器为核心元件设计制作气体监测装置并测试其功能。从气体监测装置的总体架构为出发点，详细介绍了该装置的硬件电路和软件系统设计，并完成装置的实物制作和实验环境的搭建。将制备的监测装置与市面上ION手持VOC气体检测仪共同对乙醇和丙酮进行了浓度检测，并对其结果进行对比分析，验证了本文设计的气体监测装置具有良好的可靠性和实际应用潜力。
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