【摘 要】
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气体传感器随着社会的进步而不断发展,因此人们对金属氧化物半导体纳米材料的气敏机理的研究也更加深入,更加深入地了解了金属氧化物纳米材料对目标气体的传感机制,对传感材料的精准设计以及气体传感器的应用具有重要的理论和应用价值。本文基于对金属氧化物Fe2O3和SnO2的结构与气敏性能关系的理解,设计合成了以金属氧化物Fe2O3和SnO2为基底的气敏传感材料,这些材料具有特殊的结构可以用于室温和高温下检测H
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气体传感器随着社会的进步而不断发展,因此人们对金属氧化物半导体纳米材料的气敏机理的研究也更加深入,更加深入地了解了金属氧化物纳米材料对目标气体的传感机制,对传感材料的精准设计以及气体传感器的应用具有重要的理论和应用价值。本文基于对金属氧化物Fe2O3和SnO2的结构与气敏性能关系的理解,设计合成了以金属氧化物Fe2O3和SnO2为基底的气敏传感材料,这些材料具有特殊的结构可以用于室温和高温下检测H2S和NOX,较高的响应,较好的稳定性及较低的成本使其具有良好的应用前景。本论文的主要工作内容如下:(1)采用静电纺丝方法合成AgNO3/Fe(NO3)3/PVP前驱体纤维,接着在空气中450°C焙烧得到Ag掺杂的Fe2O3中空纳米纤维。将制得的纳米纤维组装成气敏传感元件用于在常温条件下对H2S气体进行检测,结果表明:与纯Fe2O3比较,Ag掺杂的Fe2O3中空纳米纤维对H2S气体具有更高的气敏响应。其中,当Ag的含量为3.0 wt%时,在室温下Ag掺杂的Fe2O3中空纳米纤维气敏传感器对H2S气体的最低检测限为3 ppm,对100 ppm H2S的响应为19.43,响应时间仅为33 s。3.0 wt%Ag掺杂的Fe2O3中空纳米纤维对H2S气体的响应远远大于其他检测气体(NOX,NH3,SO2和HCHO)。Ag掺杂增加了Fe2O3载流子、吸附氧和晶格氧的浓度,从而增强了该传感器的气敏性能。粗糙的中空结构有利于气体的吸附和捕获,为传感反应提供了多个活性中心。因此,具有空心结构的Ag掺杂的Fe2O3纳米纤维作为传感材料具有广阔的应用前景。(2)采用静电纺丝方法合成InN3O9/SnCl2/PVP前驱体纤维,接着在空气中将前驱体纤维在500°C下煅烧得到In掺杂的SnO2纳米纤维。将其组装成气敏元件在130°C下对目标气体NOX进行检测,结果表明:与纯SnO2比较,In掺杂的SnO2纳米纤维对目标气体NOX的响应更高。其中,当In的含量为3.0 wt%时,复合材料气敏传感器在130°C下对NOX的最低检测浓度为3 ppm,对100 ppm NOX的响应高达737.8,响应时间为44 s。纳米粒子的多晶结构为传感反应提供了更多的活性中心,In掺杂提高了SnO2载流子,吸附氧和氧空位浓度,从而提高了纳米纤维的气敏性能。因此,In掺杂的SnO2纳米纤维在传感材料中具有良好的应用价值。(3)通过两步法合成了SnO2/Ti3C2Tx MXene复合材料。首先在室温条件下合成Ti3C2Tx MXene纳米片,以SnCl2·2H2O为Sn源在450°C下通过溶剂热法进一步在Ar下焙烧,最终得到SnO2/Ti3C2Tx MXene复合材料,并将其组装成气敏元件在低温下对H2S气体进行检测。研究发现:SnO2颗粒均匀分散在Ti3C2Tx片层上,与纯SnO2相比,SnO2颗粒与Ti3C2Tx纳米片接触点增加,实现了对H2S气体的高选择性。SnO2/Ti3C2Tx MXene复合材料对H2S具有较高的响应,最低检测浓度为5 ppm,且响应速度较快(21s-100 ppm H2S)。SnO2/Ti3C2Tx传感器具有较好的H2S传感性能可归因于SnO2颗粒在Ti3C2Tx MXene表面均匀的分布,与Ti3C2Tx MXene纳米片界面协同作用。理想的选择性,长期稳定性与较快的响应速度使SnO2/Ti3C2Tx MXene复合材料在H2S传感器的应用上具有良好的发展前景。
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