基于NASICON和钙钛矿型复合氧化物电极的毒害气体传感器研究

【摘要】：能够检测有毒有害气体的全固态气体传感器在大气环境监测、微环境监控以及医疗诊断等领域具有良好的应用前景。基于固体电解质NASICON的气体传感器因其低检测下限、低功耗以及快速的响应恢复速度等特点而备受研究人员青睐。本文设计制备钙钛矿化合物材料作为敏感电极,进而开发出面向大气环境监测、室内微环境监控以及医疗诊断等多领域应用的NASICON基混成电位型二氧化硫、三乙胺以及丙酮传感器。本文主要内容如下:(1)面向大气环境应用领域的低浓度SO_2检测,本文开发出以La_(0.5)Sm_(0.5)FeO_3为敏感电极的传感器和以TiO_2,WO_3,V_2O_5三种金属氧化物的混合物作为敏感电极材料的两种NASICON基混成电位型SO_2传感器。对于第一种传感器,本文使用溶胶凝胶法制备敏感电极材料La_xSm_(1-x)FeO_3(x:0.2,0.4,0.5,0.6,0.8)并制作了相应的传感器。主要研究了La~(3+)取代量x对所制器件响应值的增感机制:当x=0.5时,基于La_(0.5)Sm_(0.5)FeO_3敏感电极的器件表现出了最佳气敏特性,且检测下限为5ppb。通过复阻抗曲线研究了不同La~(3+)含量变化对气敏性能改进的增感机理,同时,利用极化曲线验证了传感器的工作原理遵循混成电位理论;对于第二种传感器,利用溶胶凝胶法制备出TiO_2,利用热分解法制备出WO_3和V_2O_5,并将三种材料的混合物作为器件的敏感电极。重点研究了三种金属氧化物材料的不同混合比例对气敏性能的影响,其中,以3%VWT(m(V_2O_5):m(WO_3):m(TiO_2)=3:8:89)作为敏感电极的传感器表现出最大响应值以及最低的工作温度,此外,本文还探究了包括重复性和选择性在内的多种气敏性能。(2)面向微环境监控等应用领域的三乙胺检测,本文开发了以SmMO_3(M:Cr,Co,Al)为敏感电极和以MMnO_3(M:Gd,Sm,La)为敏感电极的两种NASICON基混成电位型三乙胺传感器。对于基于SmMO_3(M:Cr,Co,Al)的传感器而言,本文重点探究了材料中B位元素对器件响应值的影响。在检测100ppm三乙胺的过程中,发现了以SmCrO_3为敏感电极的传感器响应值最大(-108.2mV)。就基于SmMO_3(M:Cr,Co,Al)的传感器而言,采用溶胶凝胶法制备了MMnO_3(M:Gd,Sm,La)钙钛矿材料,制作了相应的传感器,重点探究了A位元素对其性能的影响,其中,利用SmMnO_3制作的传感器对三乙胺的响应值最大,并利用极化曲线来分析A位元素的改变对传感器性能应用的感知机理。(3)面向医疗诊断和微环境监控应用领域的丙酮检测,制作了基于Ca_xLa_(1-x)MnO_3敏感电极的传感器。重点研究Ca~(2+)的替代比例对传感器检测能力的影响,发现使用Ca_(0.3)La_(0.7)MnO_3构筑的传感器表现出对100ppm丙酮最佳的性能,此外,器件展现了快速的响应恢复速度和优良的选择性。综述所述,本文通过一系列钙钛矿型复合氧化物敏感电极材料的设计制备,所研制的NASICON基混成电位型传感器对二氧化硫、三乙胺和丙酮等毒害气体表现出了良好的气敏特性,在大气环境监测、室内微环境检测和医疗诊断等领域具有良好的应用前景。