【摘 要】
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传统的金属氧化物由于具有成本低廉、制备方法简便、操作可控的优点成为气体传感器领域的研究热点。但是在实际生产应用中,金属氧化物气体传感器灵敏度低、工作温度高、稳定性差、使用寿命短等缺点限制了它在气体传感器方向的长足发展。碳纳米角(CNH)是一种新型的碳纳米材料,与棒状碳纳米管和层状石墨烯相比,碳纳米角具有独特的球形形貌,由于碳纳米角具有比表面积大、热稳定性强、孔隙率高等特点获得了广泛的关注。Ti3C
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传统的金属氧化物由于具有成本低廉、制备方法简便、操作可控的优点成为气体传感器领域的研究热点。但是在实际生产应用中,金属氧化物气体传感器灵敏度低、工作温度高、稳定性差、使用寿命短等缺点限制了它在气体传感器方向的长足发展。碳纳米角(CNH)是一种新型的碳纳米材料,与棒状碳纳米管和层状石墨烯相比,碳纳米角具有独特的球形形貌,由于碳纳米角具有比表面积大、热稳定性强、孔隙率高等特点获得了广泛的关注。Ti3C2Tx(MXene)是一种新型的二维材料,它是由Gogotsi等人在2011年首次合成,并且在锂离子电池、超级电容器、催化、传感器等领域有了广泛研究。CNH和Ti3C2Tx与金属氧化物结合可以有效克服传统金属氧化物气体传感器的缺点,提高气体传感器的气敏性能。基于此本论文主要包括以下三个部分:(1)采用溶剂热法制备了不同CNH含量的In2O3/CNH纳米复合材料。采用XRD、FESEM、TEM、EDS、XPS和BET等测试手段对合成的纳米复合材料的结构和形貌进行了研究,证实了In2O3/CNH纳米复合材料的成功合成。在40℃至300℃的工作温度下测试了基于该复合材料的H2S传感性能,结果表明,最佳样品为In2O3/CNH(2wt%)纳米复合材料,该传感器在2 ppm H2S,工作温度为70℃时,获得超高灵敏度,Ra/Rg接近3000。传感器同时表现出良好的选择性、低湿度影响以及良好的再现性和稳定性。该传感器敏感性能的提高主要由CNH与In2O3之间形成p-n异质结有关,它导致表面能带弯曲和传感器响应增加。通过实验证实,In2O3/CNH纳米复合材料可以作为低功耗、高性能H2S检测的有力候选材料。(2)Ti3C2Tx作为一种新型的二维(2D)材料,室温下在NH3检测中显示出良好的应用前景。然而,原始Ti3C2Tx对NH3的检测灵敏度较低。我们通过简单的超声技术成功地合成了Ti3C2Tx/In2O3复合材料。Ti3C2Tx/In2O3复合材料传感器在室温下对30ppm NH3有63.8%(|Rg-Ra|/Ra×100%)的高响应,比纯Ti3C2Tx传感器高30.4倍。本章系统的研究了相对湿度对该传感器NH3气敏性能的影响。同时,该传感器显示出稳定的重复性、长期稳定性和对NH3的优异选择性。最终结果表明Ti3C2Tx/In2O3传感器在室温下检测NH3方面具有广阔的应用前景。并且这种简单的超声结合的方法可以推广到MXene与其它金属氧化物结合的应用中去。(3)三乙胺(TEA)气体是对人类健康和生态环境有害的挥发性有机化合物(VOCs)之一。纯Cu2O对TEA气体的响应低,响应恢复慢。我们采用简单的超声技术制备了Cu2O/Ti3C2Tx纳米复合材料。Cu2O均匀分散在多层Ti3C2Tx的表面和层间,形成稳定的杂化异质结构。最佳Cu2O/Ti3C2Tx复合材料传感器在室温下对10 ppm TEA气体的响应为181.6%(|Rg-Ra|/Ra×100%),比原始Cu2O纳米球(52.1%)高3.5倍。此外,由于Ti3C2Tx具有高载流子迁移率和良好导电性的特点,Cu2O/Ti3C2Tx复合材料的响应恢复时间(1062 s/74 s)比原始Cu2O(3169 s/293 s)有很大提高。并且Cu2O/Ti3C2Tx复合材料传感器还具有良好的重复性、选择性和长期稳定性。由此可见,Cu2O/Ti3C2Tx复合材料传感器在室温下检测TEA气体方面具有广阔的应用前景。
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