ZnO/TiO_2异质纤维的制备及其传感特性的研究

【摘要】：随着我国经济的不断发展，工业的不断进步，人民生活水平的不断提高，人们的环保意识逐步增强，因此，对环境的监控将成为人们生活和生产中不可缺少的一部分。气体传感器是一种监测周围环境气体浓度变化的设备，金属氧化物半导体气体传感器，由于制备工艺简单、灵敏度高、响应恢复迅速、价格低廉在气体传感器家族中占有重要地位，目前被广泛应用于生活生产中。本文介绍通过调控金属氧化物半导体的表面结构从而获得高敏感特性的半导体气体传感器。 本论文主要利用静电纺丝技术和水热合成方法以TiO_2为主体材料制备具有分等级树枝状的ZnO-TiO_2异质纳米纤维材料，并对其进行表征和敏感性能的研究。 首先制备了TiO_2纳米纤维并研究了其敏感性能。实验中主要采用静电纺丝技术，获得了锐钛矿型的TiO_2，无任何杂质存在。SEM图片显示TiO_2纳米纤维表面比较粗糙，尺寸均一，纳米纤维的直径在100nm左右。TiO_2纳米纤维气敏元件的研究表明，基于该材料的气敏元件对乙醇有较高的响应，在350℃下，对20、50、100、200和500ppm下的乙醇气体的灵敏度分别为2.04、3.01、4.2、5.5和6.6。并表现出较快的响应恢复时间，约为5-10秒左右，同时发现该元件对乙醇表现出较高的选择性，而对H_2S、CH_4、C_3H_6O、CO、CH_3OH和C_2H_2等其他气体的灵敏度较低。该材料具有一个较好的选择性。 其次，对TiO_2纳米纤维进行了表面修饰，通过水热合成的方法使ZnO纳米棒生长在TiO_2纳米纤维表面，获得了具有新颖分等级结构的三维ZnO-TiO_2纳米异质结构纤维。通过对材料的X射线衍射分析（XRD）结果显示，制得的样品为纯净的锐钛矿型TiO_2和纤锌矿型ZnO，扫描电子显微镜（SEM）图片显示ZnO纳米棒密集地生长在TiO_2纳米纤维表面形成了疏松的树枝状异质结构。这种分等级结构具有粗糙的表面，且纳米棒与体材料之间疏松，是待测气体很容易进出材料表面。通过系统的敏感研究发现，由ZnO-TiO_2纳米异质纤维制成的气敏传感器在20ppm、50ppm、100ppm、200ppm和500ppm下对乙醇气体的灵敏度分别为4.1、10.6、13.2、26.1和50.6。分别比纯ZnO和纯TiO_2制得的气体传感器的灵敏度高出2-3倍和3-8倍。在320℃的工作温度下对乙醇气体的响应恢复速度在5-10秒左右。 本论文主要研究了异质结构在气体传感器中的应用，证明了异质结构的纳米纤维具有较好的敏感特性。为发展新型复合材料在气体传感器应用领域上提供了新的方向。