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SnO_2基多孔纳米固体CO传感器的研究

于勤勤  
【摘要】:随着经济和工业的发展,人们的生活水平得到了很大提高,但是随之而来的是各种有毒有害气体对环境的破坏和对人们健康的危害。其中,CO气体是一种易燃易爆的有毒气体,少量的CO即能给人体造成伤害。由于它无色无味,难于被发现,以致中毒及爆炸事件时有发生。近年来,金属氧化物半导体型CO传感器因为在耐热性、耐蚀性、材料成本、元件制作工艺等方面的优势,成为研究较多的一种传感器。但是,对于金属氧化物半导体型CO传感器的研究大多是实验室产物,制备条件的限制使它们很难产业化。因此,我们致力于开发新的简单易行的方法,研制具有更高性能的CO传感器,以推动其达到实用化目标。 我们利用溶剂热压方法,以SnO2纳米颗粒为原料,制备了SnO2及SnO2-MOx (MOx=CuO、Co3O4、ZrO2、CeO2、TiO2)多孔纳米固体。在此基础上,利用传统的厚膜制备工艺制备了SnO2及SnO2-MOx多孔纳米固体厚膜CO传感器,并对它们的气敏性能进行了测试分析。为了进一步改善CO传感器的性能,我们首次直接采用SnO2多孔纳米固体作为气敏元件,制备了双功能高气敏响应的SnO2多孔纳米固体CO传感器。在此基础上,利用压差交换法制备了微量Pt担载的SnO2多孔纳米固体CO传感器。利用Pt对CO的催化氧化作用实现了对低浓度CO的室温探测,而且传感器的气敏响应和选择性都很好。 (1)我们分别以商品化SnO2纳米粉和经过溶剂热压法制备的SnO2多孔纳米固体为原料,制备了SnO2纳米粉厚膜以及SnO2多孔纳米固体厚膜CO传感器,对比了两者的气敏性能。实验结果表明:SnO2多孔纳米固体的多孔结构有利于提高CO传感器的气敏响应。另外,我们探讨了SnO2多孔纳米固体厚膜传感器制备过程中的参数(造孔剂用量、热压温度、热压压力和烧结温度)对CO传感器气敏性能的影响。实验结果证实:通过改变造孔剂用量、热压温度、热压压力和烧结温度,可以在一定范围内调控SnO2多孔纳米固体的孔径分布、孔容和比表面积,从而找到SnO2多孔纳米固体厚膜CO传感器的最佳制备条件。其中,当造孔剂用量、热压温度、热压压力和烧结温度分别为10ml、200℃、60MPa和700℃时,传感器的气敏响应最大。 (2)为了进一步改善SnO2多孔纳米固体厚膜传感器的气敏性能,我们对SnO2纳米粉进行了少量掺杂,制备了SnO2-MOx多孔纳米固体厚膜传感器。结果表明:掺杂少量的金属氧化物后,传感器的气敏响应在一定程度上得到了提高。当掺杂少量的p型半导体金属氧化物CuO和Co3O4时,CuO (Co3O4)与SnO2之间发生电子的相互交换,导致气敏性能发生变化;掺杂少量CeO2、ZrO2和TiO2后,多孔固体的孔径分布发生了很大变化,这可能是掺杂后传感器气敏响应提高的原因。其中,当SnO2纳米粉中掺入10wt.%TiO2时,传感器的气敏响应最大。 (3)为了探索改善CO传感器气敏性能的新方法,我们利用SnO2多孔纳米固体制备了新型传感器,避免了厚膜传感器制备过程中工艺复杂的问题,提出了一种制备CO传感器的新方法。实验表明:SnO2多孔纳米固体传感器的气敏性能得到了很大提高,与厚膜型CO传感器相比,电阻率降低、气敏响应明显增大、工作温度降低了100℃。另外,传感器在高温下对CH4有很好的响应,可以作为CO和CH4双功能传感器使用。 (4)在成功研制SnO2多孔纳米固体传感器的基础上,我们用压差交换法制备了微量Pt担载的SnO2多孔纳米固体CO传感器。由于Pt的催化作用,其在室温下对50ppm CO就有很好的响应,并且对CO的选择性很好。当所用氯铂酸溶液的浓度为0.003mol/L (10ml)时,Pt-SnO2多孔纳米固体CO传感器的气敏响应最大。另外,我们也探讨了烧结温度和湿度对Pt-SnO2多孔纳米固体CO传感器气敏性能的影响。结果表明:随着烧结温度的升高,Pt的催化活性降低,气敏响应减小,当烧结温度达到700℃时,传感器对CO无响应;随着湿度的增加,H2O和CO在SnO2表面竞争吸附,使传感器的气敏响应降低。


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