锌、锡半导体金属氧化物的制备及其气敏性能的研究

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不断加快的工业发展进程,一方面带来了经济飞速发展,使人们的生活水平显著提高;另一方面不断向大气中排放的污染性气体,如氮氧化物、易挥发有机污染物及易燃易爆气体严重影响了人类的生产生活、引起了气候变化、破坏了生态平衡,更重要的是对人体健康造成了巨大的威胁。因此如何及时有效地检测空气中低浓度污染气体引起了科研工作者广泛关注。  半导体气体传感器因操作简单、便于携带、价格低廉等优点得到了各行各业的青睐。但同时由于稳定性差、选择性低、灵敏度低及操作温度高等缺点,限制了其广泛应用。随着半导体纳米材料研究不断深入,许多研究者致力于通过对半导体材料微结构调控、表面掺杂等途径优化气体传感器性能。这不仅对基础纳米材料合成有重要意义,更为优化气体传感器性能提供了更有效的途径。本文通过简单的水热合成方法合成多孔ZnO纳米片、多孔SnO2中空纳米球和ZnO掺杂的多孔SnO2中空纳米球,并将其用于检测易挥发有机污染物。此外,对产物形成机理、气敏性能及增强机理也进行了深入分析。  1.以不同锌盐合成的多孔ZnO纳米片及其气敏性能的对比研究  该工作主要的目的是研究不同的阴离子(CH3COO-、Cl-和SO42-)对多孔ZnO形貌、微结构及其气敏性能的影响。采用简单的水热合成方法,分别以Zn(CH3COO)2、ZnCl2和ZnSO4为锌盐,与尿素溶液混合水热反应生成前驱物碱式碳酸锌,再经过高温退火前驱物制备出多孔ZnO纳米材料。结果表明,锌盐中不同的阴离子对产物多孔ZnO纳米片的形貌和结构都有影响。将三种产物用于易挥发有机污染物(丙酮、2-氯苯酚和甲醛等)的检测,发现由硫酸锌合成的多孔ZnO纳米片的气敏性能最优,其次为由氯化锌合成的ZnO纳米片,最后为醋酸锌合成的ZnO纳米片。导致气敏性能差异的主要原因是产物的形貌,晶型结构及其比表面积均有所不同。  2.界面氧化脱水诱导形成多孔SnO2中空纳米球及其气敏性能的研究  利用无模板、无表面活性剂的水热法合成了直径为100-200nm的多孔SnO2中空纳米球,并对不同反应时间下的产物进行了TEM、XRD和EDS表征,提出界面氧化脱水机理用以解释多孔SnO2中空纳米球的形成过程;将多孔SnO2中空纳米球用于易挥发有机污染物的检测,由于高结晶度、高比表面积和多孔性质,与商业的SnO2粉末相比显示出了更高的灵敏度和更快的响应速率。  3.ZnO掺杂多孔SnO2中空纳米球的制备及其对乙醇增强性能的研究  利用可控的合成过程成功地制备出ZnO掺杂多孔SnO2中空纳米球,并将其用于气敏检测。由于ZnO晶核的存在及ZnO-SnO2异质结的形成,与纯的多孔SnO2纳米球相比,经过ZnO掺杂后的多孔SnO2纳米球对乙醇显示出了检测温度低、灵敏度高、响应和恢复时间短以及选择性好的优良性能。
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