氧化锌和氧化铟纳米材料的制备和其对NO气敏性能研究

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NO是一种重要的大气污染物,大部分源自于工业副产物和汽车尾气排放,是酸雨、臭氧层损耗的主要成因。职业安全和健康管理条例明确指出超过25 ppm会影响基因转录;NO也可以损伤人的粘膜和呼吸道,对人体和环境造成危害。因此,研制高灵敏度、高选择性和高可靠性的能够对NO进行实时监测的气体传感器具有十分重要的意义。气体传感器在当今社会的各个方面发挥着至关重要的作用,同时也在纳米科技的发展下取得进步。研究表明,影响气体传感器性能的核心因素是气敏材料。金属氧化物半导体材料,如ZnO、In2O3、Fe2O3、WO3,是气体传感器材料的首选,具备灵敏度高、稳定性好、响应快、结构简单等优势,但同时也面临着一些局限性,比如工作温度高、选择性差等,因此提高传感器的性能仍是亟待解决的课题。本论文以提高传感器性能和降低传感温度为目标,以氧化锌和氧化铟为研究对象,分别采用简单、环境友好的固相法和水热法的合成策略,通过改变材料的形貌来调控金属氧化物半导体的传感性能、降低检测温度,并探究其NO传感机理。基于此开展相关研究,具体研究内容如下:(1)以乙酸锌作为锌源,草酸作为碳源,采用环境友好的无溶剂固相合成法制备了珊瑚状ZnO纳米材料并用其制备气体传感器,实现了室温下(21±2℃)检测NO。研究表明乙酸锌和草酸的比例对氧化锌制备的气体传感器灵敏度起着重要影响:当反应体系中乙酸锌和草酸的摩尔比例为1:1时,获得了具有15-45nm纳米颗粒组成的珊瑚状ZnO,较小的粒径有利于提供更多的气体吸附位点,提高了气体传感器的灵敏度。由于前驱物在研磨过程中生成了草酸锌,而草酸锌在煅烧过程中释放CO2,因此生成了具备有利于气体快速吸附和脱附的多孔结构的ZnO粉末。CO2线性分子所产生的孔隙和NO分子结构一致,实现了对NO的选择性检测。实验结果表明,ZnO传感器室温(21±2℃)下检测范围是5-100 ppm NO,40 ppm NO的灵敏度达23.59,响应/恢复时间分别是331 s和1285 s。(2)通过简单的一步水热反应,制备出形貌较规则的棒状氧化铟,实现室温下(23±2℃)对NO的选择性检测。反应过程中尿素的含量改变影响气体传感器的灵敏度,以0.0076 g蔗糖、尿素和硝酸铟摩尔比为10:1作为反应物时,获得具有许多大小均匀孔隙的直径为11.0?0.8 nm的纳米棒,比表面积为12.36m2/g。研究表明,棒状氧化铟对于NO气体具有较高的灵敏度,对1 ppm NO灵敏度为2.67,最低检出限为500 ppb,同时具有良好的重复性和稳定性,3天内传感器稳定性相对标准偏差为0.72%。
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