一维半导体氧化物基甲醇气体传感器的制备与性能研究

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甲醇(CH3OH)是一种被普遍使用的有机溶剂,它无色且易于挥发,会导致皮肤骚痒、头痛、视力下降、代谢性酸中毒和甲酸血症。因此,对周围环境中甲醇气体的探测是非常有必要的。半导体氧化物基传感器具有高的灵敏度、低的探测温度、良好的重复性和长期稳定性,是甲醇气体探测的不二之选。但是,目前甲醇气体传感器仍然存在工作温度偏高、灵敏度低、稳定性差等不足。本论文通过静电纺丝法制备CeO2、ZnO纳米纤维,辅以氢化退火处理或杂质元素掺杂(如:Pd、Ce元素)的改性手段,并借助XRD、Raman、SEM、TEM和XPS等表征方法和甲醇气敏测试,结合机理分析,探究甲醇气体探测性能提升的理论基础和实验方法,从而获得高性能的甲醇气敏传感器。本论文的具体研究内容如下:(1)CeO2纳米纤维的氢化处理及其甲醇气敏性能研究。先用静电纺丝法合成CeO2纳米纤维,再对其进行一系列不同温度下的氢气氛围退火处理,并研究氢化处理对其结构、形貌和甲醇气敏性能的影响。研究发现在180℃到680℃范围下的氢化处理没有改变CeO2的晶型结构和其纳米纤维形貌。甲醇气敏性能测试发现氢化处理显著提升样品的气敏性能,且随着氢化处理温度的升高,样品对甲醇的探测性能逐渐增强。当氢化温度达到处理上限680℃时,CeO2-H-680℃样品在工作温度200℃下对100 ppm甲醇表现出最高的响应值(3.95),是未经氢化处理的CeO2-P样品在相同条件下的响应值(1.70)的2.3倍。氢化处理改善了CeO2的甲醇气敏性能,是因为氢化处理会增加CeO2中Ce3+离子的含量,使得氧空位的浓度升高,从而提高其气敏性能。(2)Pd掺杂CeO2纳米纤维的静电纺丝制备及其甲醇气敏性能研究。发现Pd掺杂不改变CeO2样品的晶型结构和形貌,但会增强CeO2对甲醇的探测能力。当Pd元素的掺杂量为3%时,样品3%Pd-CeO2在200℃下对100 ppm甲醇表现出最高的响应值(6.95),是纯CeO2样品在相同条件下的响应值(1.70)的4倍;还具有良好的重复性和长期稳定性。因此,适当的Pd掺杂不仅可以构筑PdO/CeO2的p-n异质结,还可以增加材料中氧空位的浓度,发挥异质结和氧空位协同增强作用,从而显著提高其甲醇气敏性能。(3)Ce掺杂ZnO纳米纤维的静电纺丝制备及其甲醇气敏性能研究。研究发现Ce掺杂致使ZnO纳米纤维结构变得更加致密,但是没有改变ZnO的纤锌矿晶型。气敏性能测试发现Ce掺杂将ZnO对甲醇的最佳探测温度从250℃下降至225℃。此外,当Ce元素的掺杂量为1%时,样品1%Ce-ZnO在225℃下对100 ppm甲醇表现出最高的响应值(9.35),是纯ZnO样品在相同条件下的响应值(2.80)的3.3倍;还具有良好的重复性和长期稳定性。因此,适当的Ce掺杂所导致的CeO2可以作为吸附的活性位点,还可以调控ZnO中氧空位的浓度,从而提升ZnO的甲醇气敏性能。
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