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低维半导体氧化物的合成及气体传感器的研制

刘艳丽  
【摘要】:工业化发展为人类创造财富的同时,对环境也造成了很大的污染。工业生产中使用的气体原料和生产过程中产生气体的种类和数量越来越多,这些气体中,有毒、有害气体不仅污染环境,而且有产生爆炸、火灾和使人中毒的危险。因此,有必要对环境中的大气进行实时检测。基于半导体金属氧化物的电阻型气体传感器,具有灵敏度高、选择性好、稳定性高、易于微型化和自动化等优点,在工业控制和环境监测等领域具有广泛的应用前景。纳米材料,因其具有大的比表面积、高的表面活性,能使半导体金属氧化物的气敏性能显著提高,因此利用纳米合成技术改进气敏材料的性能已成为今后气敏材料发展的主导方向之一; 另外,选择适当的添加剂对气敏材料进行掺杂是提高材料气敏性能的有效方法之一。本论文一方面采用室温固相化学反应法、溶剂热法、有机溶液氧化-还原法等方法合成了一系列纳米半导体金属氧化物,并构建成旁热式气体传感器用于气体的检测; 另一方面,对部分所得纳米颗粒进行贵金属掺杂,利用贵金属良好的催化特性,实现对材料性能的增敏作用。主要完成了以下研究工作: 1、利用室温固相化学反应法制备了一系列的半导体纳米复合氧化物。室温固相化学反应是指在室温或近室温条件下的固-固相化学反应,该法制备无机纳米材料是一个全新的课题,它不需要溶剂,从根本上消除了溶剂化作用,使反应在一个全新的环境下进行,整个反应过程经历扩散、反应、成核以及核的生长四个步骤,在实验体系中加入适量的无机盐来控制材料的定向生长而得到粒径细小且分布均匀的纳米材料。本论文中,采用价格相对低廉的无机盐作为前驱体,并在体系中加入适量的NaCl以控制所得材料的粒径而得到Mg_2Fe_2O_4、CdSnO_3、NiFe_2O_4等复合氧化物。实验结果表明,该制备方法简化了工艺流程,具有污染小、产率高、节约能源等优点。 贵金属作为活泼的催化剂,通常被用来作为掺杂剂来提高半导体材料的气敏性能。本论文中,在用室温固相化学反应法制得纳米材料的基础上,采用浸渍法对部分所得纳米材料进行不同贵金属掺杂,并对贵金属影响原材料的气敏性能及机理进行了分析与探讨。 (1)第二章中,利用该法得到了球形Mg_2Fe_2O_4纳米材料,并将该材料制成旁热式气体传感器元件,检测了该元件对CH_4、H_2S、LPG和酒精气体的灵敏度情况。该元件在工作温度为160 oC时,能实现对低浓度H_2S的有效检测,而在工作温度为335 oC时,能实现对酒精气体的有效检测。相对其它被测气体,其抗干扰性很好。


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