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一维纳米材料由于具有显著的各向异性结构和量子限域效应引起广大学者的研究兴趣。钒氧化物纳米管在电化学、光学、电学性能方面的研究已得到广泛的开展,但是钒氧化物纳米管在气敏材料上的应用还未见报道。本论文采用流变相自组装的方法制备了钒氧化物纳米管并用氧化铁对钒氧化物纳米管进行了修饰,同时研究了它们的气敏性能。主要结论如下:
⑴制备出了长度在3~8μm,外径为60~150nm,内径为20nm左右,层间距为3.2nm的钒氧化物纳米管。合成的钒氧化物纳米管在230℃对50ppm浓度的乙醇气体有响应,灵敏度为1.11。随着温度的升高和乙醇气体浓度的增加,钒氧化物纳米管的灵敏度不断增加,在270℃对1000ppm浓度的乙醇气体灵敏度为1.67。330℃时对1000ppm浓度的乙醇气体灵敏度上升到了2.28。
⑵在80%浓度的乙醇作溶剂,180℃反应湿度下采用氧化铁对钒氧化物纳米管进行了表面修饰,钒氧化物纳米管表面存在的氧化铁颗粒直径大约为15nm。其在230℃对10 ppm浓度的乙醇气体有响应,灵敏度为1.1。270℃对1000ppm浓度的乙醇气体灵敏度为2.0,330℃对1000ppm浓度的乙醇气体灵敏度为3.4,270℃对10ppm浓度的乙醇气体响应时间为15s。产物气敏性能比钒氧化物纳米管有较大提高。
⑶加入30mg柠檬酸和0.15mmol硝酸铁,以去离子水作溶剂在180℃制备出的氧化铁修饰钒氧化物纳米管表面,发现钒氧化物纳米管不仅有分散的氧化铁颗粒,还有连续的厚度为40nm的连续氧化铁层。其在190℃对10ppm浓度的乙醇气体有响应,并且在270℃对1000ppm浓度的乙醇气体灵敏度为4.4,330℃对1000ppm浓度的乙醇气体灵敏度达到了最大值7.4。在270℃时对10ppm浓度的乙醇气体的响应时间为20s,虽然响应时间有所增加,但综合气敏性能得到提高。
⑷氧化铁修饰钒氧化物纳米管改善气敏性能的机理表明,纳米管表面在空气气氛中很容易吸附到空气中的氧并与材料交换电子形成O2-、O22-和O2-,从而在钒氧化物纳米管表面形成空间电荷耗尽层,使钒氧化物纳米管中电子减少,表面势垒升高,元件的电隰增大。当通入乙醇气体时,乙醇分子能与器件表面的氧负离子发生反应,氧负离子之前俘获的电子会重新释放回元件内部,钒氧化物纳米管中电子增加,表面势垒减小,元件的电导率增大。在乙醇气氛中,部分Fe3+还原为Fe2+提高了材料的电导率,进一步提高了纳米管的气敏性能。