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《吉林大学》 2010年
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不同结构In_2O_3基纳米材料的合成及其气敏特性研究

王金兴  
【摘要】: 半导体金属氧化物In_2O_3是一种重要的功能材料,因其优异的物理和化学性能被广泛地应用于太阳能电池、透明电极、光电传感器、防静电涂料以及气体传感器领域。作为气体敏感材料,其敏感特性强烈地依赖于纳米材料的结构(即晶粒尺寸、比表面积、维数、网络和孔结构)以及掺杂剂的种类。本论文采用不同的合成方法制备出了不同结构的In_2O_3基纳米材料,研究了材料结构与敏感特性之间的关系。此外通过添加掺杂剂来改善气敏元件的敏感性能,研究了掺杂元素对敏感性能的影响,以制备性能优良的有毒有害气体传感器。 主要研究内容如下: 1.采用溶胶-凝胶法制备了In_2O_3及其掺杂Ag的纳米颗粒材料。合成的晶体颗粒尺寸约为In_2O_3德拜长度的2倍,为气敏反应提供了大量的活性位点。此外,催化剂Ag的掺杂有效地避免了其他气体的干扰,并提高了传感器的灵敏度和响应恢复时间。该传感器可以在较低的工作温度下实现对甲醛的检测。 2.采用静电纺丝技术,制备了In_2O_3及其掺杂Ag的纳米纤维材料。合成的纳米纤维具有较高的长径比和稳定的多孔网状结构,非常有利于气体的吸附和脱附反应,并有效避免了材料因团聚而引起的稳定性的降低。甲醛气敏检测结果表明Ag的最佳掺杂比例为8 wt.%,其对甲醛表现出快速的响应恢复时间(5-10 s)以及良好的稳定性。 3.采用静电纺丝技术,制备了Ni掺杂的In_2O_3纳米纤维材料。表征结果显示在掺杂过程中Ni~(2+)部分取代了In~(3+)的位置,形成了置换型固溶体In_(2-x)Ni_xO_3。该固溶体对三甲胺表现出较高的灵敏度,快速的响应恢复时间以及良好的稳定性和重复性。这些纳米纤维优良的敏感特性主要归功于固溶体系统与一维纳米结构的结合。 4.采用硬模板法,将In(NO_3)_3·4.5H_2O与Ni(NO_3)_2·6H_2O填充到介孔分子筛KIT-6的孔道结构中。除去模板后,合成了Ni掺杂的In_2O_3纳米介孔材料。表征结果显示合成的材料具有高度有序的介孔结构,且孔径分布均一。气敏测试实验结果显示,此纳米介孔敏感材料对三甲胺具有比纤维结构更高的灵敏度。这主要归因于其具有规则的介孔结构,均一的孔径以及大的比表面积。 本论文通过以上几部分的工作,较系统地研究了气体敏感材料的结构,合成方法以及掺杂剂与气敏特性之间的关系。为改善气体传感器的性能提供了实验和理论基础。
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