摘要
H2S气体是哮喘病的标志物，制备气敏性能优异的H2S气体传感器在医疗呼气检测领域具有重要意义。TiO2纳米材料具有宽禁带、低电阻率及高导电性、化学性能稳定等优点，已经成为检测H2S气体的最佳候选材料之一。然而，目前大多数利用水热法制备的TiO2粉体材料在高温工作过程中会存在皲裂甚至脱落，导致气敏性能不稳定。同时，由于敏感材料活性位点数量少，导电性能差，使得其响应值低、工作温度高。本论文围绕上述问题开展研究，具体研究内容和结果如下。 (1)采用水热法，通过调节钛酸四丁酯(C16H36O4Ti)的用量(0.6mL，0.9mL，1.2mL)，在FTO蚀刻玻璃上原位定向生长了三种形貌的TiO2纳米棒阵列，分别为章鱼状(0.6TiO2)，爆米花状(0.9TiO2)和冰棱状(1.2TiO2)。结果表明，当C16H36O4Ti用量为1.2mL时，FTO衬底表面冰棱状TiO2纳米棒阵列直径约为150nm，长度为约1.3μm。冰棱之间互相交错，暴露出更多的边缘位点，为吸附活性位点和开放的气体传输通道提供了有利场所，因此该气体传感器具有最优的气敏性能。在工作温度为159℃时对200ppmH2S气敏性能最佳，响应值为13.51，响应时间为18s，恢复时间为32s，检测极限为200ppb，且在相同测试条件下再连续四周多次循环气敏测试响应值稳定。因此，原位生长的TiO2纳米棒阵列解决了纳米粉体因转移工艺造成的脱落问题。 (2)为了进一步提高单一的TiO2纳米棒阵列对H2S气体的气敏响应值，通过两步水热法制备了TiO2/CuO复合纳米棒阵列。在三种不同形貌的TiO2纳米棒阵列的制备基础上，掺杂P型窄带隙半导体CuO，制备出三种不同形貌的TiO2/CuO纳米棒阵列，分别为纳米棒阵列上生长的冰棱状(0.6TiO2/CuO)，纳米棒阵列上生长的树枝状(0.9TiO2/CuO)，纳米棒阵列上生长的纳米花状(1.2TiO2/CuO)。其中1.2TiO2/CuO纳米棒阵列，单根TiO2纳米棒平均直径为200nm，平均长度为4μm。单根CuO纳米棒平均直径为100nm，平均长度为1.3μm。CuO纳米棒与TiO2纳米棒交织的生长在一起，TiO2纳米棒与CuO纳米棒接触面上形成了PN结，电子由CuO窄带隙转移到TiO2的导带上，提高了气敏性能。H2S气敏特性测试结果表明，其中1.2TiO2/CuO纳米棒阵列性能最佳。在最佳工作温度为159℃时对200ppm浓度的H2S时响应值17.9，相比纯TiO2，气敏响应值提升了1.32倍。 (3)为了降低TiO2纳米棒阵列气敏传感器的工作温度，在三种不同形貌的TiO2纳米棒阵列的制备基础上，选用贵金属Ag对TiO2纳米棒阵列进行掺杂，制备出三种不同形貌的Ag-TiO2纳米棒阵列，Ag+进入TiO2晶格，掺杂的金属离子替代了TiO2分子中的Ti4+，形成了浅势捕获阱，促进了电子-空穴对的分离，从而改变材料中载流子浓度、表面缺陷等参数。气敏性能结果表明显示，0.9Ag-TiO2性能最优，对200ppmH2S气体的最佳工作温度降低至140℃，气敏响应值为19，响应恢复时间为18s、50s。相对比1.2TiO2/CuO，工作温度降低了约20℃。
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