【摘 要】
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随着现代社会工业生产和人类活动的大幅度增加,越来越多的空气污染物被释放到大气环境中去,对我们的身体健康造成了一定威胁。过量的有机化合物气体(VOCs)对人体有很大的危害,如对人的眼睛和上呼吸道的刺激,以及对中枢系统产生麻醉作用。其中,苯类气体主要来自汽车尾气和建筑材料之中,不仅对生活环境有严重的负面影响,对人类身体健康也会产生直接危害。因此,对该类气体的检测是十分必要的,制备高性能的苯类气体传感器
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随着现代社会工业生产和人类活动的大幅度增加,越来越多的空气污染物被释放到大气环境中去,对我们的身体健康造成了一定威胁。过量的有机化合物气体(VOCs)对人体有很大的危害,如对人的眼睛和上呼吸道的刺激,以及对中枢系统产生麻醉作用。其中,苯类气体主要来自汽车尾气和建筑材料之中,不仅对生活环境有严重的负面影响,对人类身体健康也会产生直接危害。因此,对该类气体的检测是十分必要的,制备高性能的苯类气体传感器也成为科研工作者的重要研究目标。选取合适的改性方法是研究气体传感器的重要步骤,其中,表面功能化是对半导体型气体传感器改性的重要途径之一。一方面,可以采用半导体与金属氧化物复合形成异质结的方式,结合两种材料的优势,制备出性能更高的气体传感器;另一方面,也可以将贵金属修饰在半导体材料表面,因为贵金属纳米粒子具有分散均匀、催化性能高等优点,可以增强气敏性能。在这里,我们分别选取金属氧化物半导体WO3和金属硫化物半导体SnS2作为主体材料,以提高苯类气体传感器敏感特性为目的,通过在主体材料表面修饰金属氧化物半导体以构建异质结构和引入双金属纳米粒子等表面功能化手段,制备半导体型气体传感器,测试其气敏性能,同时也总结了气体传感器性能增强的机理和原因。具体内容将从以下几个方面展开:(1)选取金属氧化物半导体WO3作为研究的主体对象,采用构建异质结的手段以制备出对甲苯气体敏感的传感器。首先通过水热方法合成WO3纳米材料,再运用乙二醇辅助还原得到RuO2修饰的WO3,通过改变RuO2的含量,探究不同的修饰量对于气敏性能的影响。制备出的器件对于甲苯气体具有较高的响应,具体来说,0.5 wt%修饰的器件在255℃下对于100 ppm甲苯气体表现出11.7的响应值,约是由纯WO3制备成的器件的响应值6倍,且降低了主体材料WO3(302℃)的工作温度。同时,器件也具有快速的响应时间和恢复时间,并且选择性也更加明显,对于不同浓度的甲苯气体,响应呈现良好的线性关系。修饰过后的器件气敏性能的增加主要是归因于WO3自身大的表面积/体积比,有利于气体分子的吸附,以及在RuO2与WO3材料表面形成的p-n异质结构,导致材料初始电阻的增大。(2)金属氧化物存在着工作温度过高等问题,接下来我们选取二维金属硫化物SnS2作为主体材料,以制备出工作温度更低,且具有更好区别苯类气体能力的器件。首先选用水热法制备出SnS2二维片状结构;其次,用还原剂将氯钯酸和氯金酸还原成附着在SnS2纳米片表面的金钯纳米粒子。通过对比纯材料、单金属修饰与双金属修饰的实验测试结果,探究双金属修饰对于气敏性能的影响。与纯的SnS2相比,经过金钯纳米粒子修饰过后的SnS2对于二甲苯气体表现出较好的气敏性能。具体来说,在161℃时对100 ppm的二甲苯气体响应值达到了27.7,相较于纯材料提升了十倍多,并且最佳工作温度也有所降低。制备的器件具有快速的响应时间和恢复时间(4 s和5 s)以及优异的选择性,尤其还可以明显地区分苯、甲苯与二甲苯三种气体。气敏性能显著得到改善归因于金钯纳米粒子之间的协同作用,二维材料的边界效应以及肖特基势垒的形成。
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