二氧化钛与钛酸盐纳米结构的气敏性能研究

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气敏传感器已广泛应用于空气净化、医疗等诸多领域,然而,气敏材料大多都难以兼顾多种气敏优良性能。如金属氧化物半导体材料,在应用时具有成本低、制造简单、灵敏度高、响应快、使用寿命长等优点,然而也具有工作温度高、选择性及稳定性差等缺点。因此,研究气敏材料性能的改良方法,探索新型的气敏材料十分重要。在本论文中,我们成功制备了无定型二氧化钛(A-TiO2)、钛酸铁及钛酸铜纳米材料,对所制备的纳米材料进行了表征与分析,系统研究了其对乙醇(C2H5OH)、氨气(NH3)的气敏响应,分析响应机理,并讨论了湿度对传感器气敏性能的影响,具体的研究内容如下:1、通过简单的溶胶凝胶法成功制备出了A-TiO2多孔纳米微球,其比表面积高达509.8 m~2g-1,能够在室温下对100 ppm C2H5OH产生明显的p型响应,灵敏度达2.361。而在277.1℃条件下,传感器对其响应转化为n型,灵敏度为2.046。这和O-ads在不同温度下吸附在A-TiO2表面的方式不同有关。经过三个月的重复实验,气敏传感器的响应基本保持不变,在C2H5OH探测领域展现了广阔的应用前景。2、以制得的A-TiO2多孔纳米微球为前驱体,通过简单的水热法和阳离子置换法成功地合成了钛酸铁、钛酸铜纳米结构。这两种纳米结构的比表面积分别高达171.8 m~2g-1和188.7 m~2g-1。进一步的气敏传感实验结果表明,所制备的纳米结构在室温条件下对C2H5OH和NH3具有明显的响应。而经过探索最佳工作温度后发现,钛酸铁纳米结构在150.4℃对100 ppm C2H5OH的响应灵敏度达到10.625,钛酸铜纳米结构在131.4℃条件下对100 ppm C2H5OH和100 ppm NH3都产生较大响应,其灵敏度分别为3.622与3.125。这归因于Fe3+与Cu2+能够在高温下被氧化,从而与钛酸盐形成了较大表面积的p-n异质结,且Fe2O3、Cu O都具有快速传达电子及高效催化氧化的能力。两种传感器都具有良好的C2H5OH选择性和良好的检测稳定性(超过210天)。3、研究了环境湿度对制得的无定型二氧化钛,钛酸铁与钛酸铜三种气敏材料性能的影响。环境湿度的不同常常会使气敏材料的基线电阻值与灵敏度产生变化与漂移,进而影响其实际应用。本论文研究发现气敏材料电阻值及灵敏度都随着环境湿度增大而减小,且变化程度逐渐减小,分析认为这和水分子占据了气敏材料表面活性位点有关。
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