基于p-n、n-n异质结构纳米复合物的合成及其低温下NO2气敏性能研究

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人类自进入现代工业快速发展的时代以来,对不可再生的化石燃料的消耗日益增强但对后续产生的一些有毒有害气体处理工艺却仍显落后,随之而产生的,便是越来越严重的大气污染问题以及人员中毒问题。有毒有害气体特别是NOx对人类的危害极大,既能产生光化学烟雾、酸雨,也会直接造成人类中毒。  本文通过高温短时水热制备n型半导体WO3纳米颗粒,然后通过原位氧化聚合法将噻吩单体聚合成p型半导体聚噻吩(PTP)包覆在WO3纳米颗粒表面,最终在较短合成时间内制备出不同组分PTP-WO3杂化物以形成p-n异质结。同时杂化物中由于从S元素到W元素出现电子转移形成了新的较强的相互作用化学键(Sδ+-W5+),进而提高了聚噻吩的热稳定性,这从热重分析也可以看出。将所得杂化物制成气敏元件运用于室温条件下有毒气体NO2的气敏检测,发现40%PTP-WO3组成杂化物对10 ppm浓度NO2灵敏度达到48.2,这是聚噻吩灵敏度的约3.5倍;通过响应速率及线性关系得到40%PTP-WO3杂化物检测极限能够达到450 ppb。这些气敏性能的改进提高,我们归因于新化学键的作用以及p-n结的形成,并且通过SEM、BET、FTIR、XPS、TG等表征手段得到印证。  为了在较低操作温度下检测低浓度(≤1 ppm) NO2,本论文还通过改进的Stober法合成SiO2模板并利用模板制备出直径600 nm左右的单分散SnO2及ZnO-SnO2复合物空心球结构。将材料制成气敏元件进行气敏测定发现,SnO2及ZnO-SnO2复合物对NO2均有很好地响应度,且ZnO-SnO2复合物较之SnO2有很大提高,其中ZnSn-1(Zn/Sn摩尔比实际为11.7 at%)复合物气敏最好,比SnO2灵敏度提高四倍达到81且有较好的选择性。把气敏性能的提高归功于复合过程中氧空位增加以及复合界面形成n-n异质结,并通过一系列表征加以佐证。  在实验过程中,在研究异质结气敏性能的同时,还探究了新型气敏元件的制备和运用。聚对苯二甲酸乙二酯(PET)作为柔性导电薄膜的一种,能够很好地的作为底板承载气敏检测材料制备气敏元件。材料廉价易得,可以为模块化易替换气敏元件的制备提供参考。
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