WO3气敏材料的制备、改性及其性能研究

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半导体金属氧化物气体传感器在大气监测,工业安全生产,室内环境质量检测等领域发挥着重要的作用。WO3是一种性能优异的n-型半导体敏感材料,具有灵敏度高、稳定性较好等特点,但是在检测范围、响应性、反应速度等方面仍不能满足实际应用的需要。因此,开展WO3气敏材料的制备、结构分析和改性研究具有重要的意义。论文以改善WO3对丙酮气体的敏感性为目标,采用微波水热法制备出不同晶相的WO3以及Ag负载WO3(Ag/WO3)敏感材料,借助XRD,SEM,TEM,XPS等仪器对材料进行表征,采用静态法检测不同敏感材料对丙酮气体的灵敏度、动态响应/恢复、检测浓度范围、最佳工作温度、选择性和抗干扰能力、循环稳定性等指标,系统研究WO3和Ag/WO3微结构对气体敏感性的影响规律,分析敏感机理。主要研究内容和结论总结如下。(1)以钨酸钠为钨源,微波水热法制备单斜相WO3,水热温度和前驱体溶液p H值对材料的组成、结构和气敏性有重要的影响。当微波水热温度为180℃,前驱体溶液p H=0.5,制备出块状单斜相WO3,由于具有较高的比表面积,丰富的氧空位,使材料表面气体化学吸附作用显著增强,利于气体敏感反应的发生。单斜相WO3最佳气敏工作温度为320℃,对丙酮的响应浓度范围较宽(0.25 ppm100 ppm),其最低检测限下降至7.5 ppb,是一种非常灵敏的丙酮敏感材料。此外,单斜相WO3在0.25 ppm100 ppm丙酮浓度范围内,响应/恢复时间均保持在5 s以内,并且稳定性和选择性较高。(2)以偏钨酸铵为钨源,通过微波水热法制备出六方相WO3,前驱体溶液p H值、草酸用量对材料物相,微观形貌以及气敏性有重要影响。当前驱体溶液p H=1,草酸加入量为1 g时制备出由纳米棒自组装成的微球状的六方相WO3,而且WO3发生取向生长,暴露出更多的(001)活性晶面,产物结构疏松,含有较多的孔道结构,比表面积显著增加,因此材料表现出优异的气体敏感性能,其最佳工作温度为340℃,对100 ppm浓度丙酮响应为39.1,响应恢复时间分别为6 s和7 s。(3)采用光化学沉积法将AgNO3溶液中Ag还原并原位负载在WO3表面,通过控制AgNO3的添加量,得到不同Ag负载量的WO3敏感材料,研究发现Ag的负载量对WO3的敏感性能具有重要的影响。Ag的负载量为2.12%时,所得敏感材料的性能最佳,其最佳工作温度降为280℃,对100 ppm丙酮浓度气体灵敏度升高至44,响应恢复时间分别为3 s和4 s。(4)单斜相WO3由于表面含有较多的氧空位,使材料的敏感性增强,对低浓度丙酮表现出优异的性能。六方相WO3由于暴露出(001)活性晶面,增加了材料特异吸附丙酮的能力,灵敏度比单斜相略高。给WO3负载Ag,由于贵金属独特的催化吸附/脱附、丙酮氧化还原反应,使材料的敏感活性进一步增强,表现在气敏响应升高,工作温度下降。
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