氧化铜半导体气敏传感器的制备及其性能研究

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H2S是环境中最常见的有毒气体污染物之一,经常被应用于各种领域,包括油气废物处理和造纸工业,它经常产自于污水,垃圾堆,以及许多常规的化学生产过程中。但是,即使是少量的H2S,也会对许多生物体例如人体的呼吸道和神经系统具有极大的毒性。本文主要研究了铜基氧化物的制备方法,表征手段,电学测试以及气敏测试等几个方面的研究。主要包括利用水热法合成CuO半导体纳米材料并通过硬件部分的焊接制备成CuO半导体气敏传感器,并采用静态配气法测试其对不同浓度H2S的气敏响应灵敏度,最后进行了对传感器气敏响应机制的讨论研究。本文研究的主要内容包括:1)利用简单的水热法制备CuO实心纳米片,并制备成了基于该敏感材料的气敏传感器。接着对合成的CuO纳米材料进行了结构和形貌上的表征。最后,对制备成的基于CuO实心纳米片结构的气敏传感器进行了对不同浓度的H2S气体的气敏测试,对H2S气体的最低检测阈值为0.2 ppm。同时还研究了衡量传感器优良性能的几个重要指标,例如响应—恢复时间,可逆性,重复性,长期稳定性和选择性等。2)在第一部分的基础上,通过改变水热反应的原材料和水热反应的条件,得到了花状CuO多孔纳米片。通过XRD来分析该CuO纳米材料的物相组成,并使用SEM和TEM来分析此纳米材料的微观构造,并通过光电子能谱(XPS)对该材料的元素性质进行了分析。最后利用此花状CuO多孔纳米片结构作为敏感材料,制成了CuO半导体气敏传感器,并在室温下对此传感器进行了最低检测浓度、重复性、以及长期稳定性的研究。研究表明,其最低检测阈值在100 ppb,并且具有良好的重复性和长期稳定性。3)综合以上两个实验的水热合成条件,通过改变反应物的配比和反应时间,合成了CuO不规则叶状纳米片,并制成了基于该CuO敏感纳米材料的半导体气敏传感器。结果表明,该CuO叶状纳米片的平均厚度为62.5 nm,平均宽度为0.5μm,平均长度为1.2 nm,分布均匀。通过对该CuO纳米结构进行电学测试,证明其间的接触为欧姆接触。对该CuO纳米结构制作成的半导体气敏传感器进行气敏测试,得到其在室温下对H2S气体有良好的气敏性,对最高探测浓度60 ppm的响应度大约达到29,最低探测浓度达到了10 ppb,优于目前国内外报道的纯净CuO对H2S气体的检测性能,并且具有良好的选择性和稳定性。最后,本文对该半导体气敏传感器的气敏机制进行了讨论。
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