【摘 要】
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半导体金属氧化物（SMOs）在物理、化学、材料科学等许多领域发挥着关键作用。多年来,SMOs气体传感器因具有成本低、操作便捷、制造工艺简单等优点而受到广泛的重视。然而,单组分SMOs低的灵敏度和高的工作温度限制了气敏领域中的应用。因此,设计和开发稳定性高、性能优异的气体传感器对实现目标气体的高灵敏度、高选择性和长期监测具有重要的意义。本论文借助贵金属Au和Co3O4对In2O3纳米材料进行表面修饰
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半导体金属氧化物（SMOs）在物理、化学、材料科学等许多领域发挥着关键作用。多年来,SMOs气体传感器因具有成本低、操作便捷、制造工艺简单等优点而受到广泛的重视。然而,单组分SMOs低的灵敏度和高的工作温度限制了气敏领域中的应用。因此,设计和开发稳定性高、性能优异的气体传感器对实现目标气体的高灵敏度、高选择性和长期监测具有重要的意义。本论文借助贵金属Au和Co3O4对In2O3纳米材料进行表面修饰,调控微观结构,为氧气和目标气体分子提供丰富的活性位点,有助于气体分子的吸附和扩散,降低SMOs气体传感器的工作温度,提高选择性和响应值。本论文研究内容如下:（1）采用溶剂热法合成了In（OH）3纳米微球前驱体,通过煅烧制备了In2O3纳米微球,利用溶胶固定化法将Au纳米颗粒负载在In2O3纳米微球表面获得了纳米Au修饰的介孔In2O3纳米微球（Au/In2O3-350）,并采用一系列表征对所获得的In2O3-350和Au/In2O3-350进行了分析。结果表明,纳米Au颗粒均匀分布在介孔In2O3-350纳米微球表面且Au负载量为1%的Au/In2O3-350具有最佳的乙醇气敏性能。1%Au/In2O3-350在180°C的最佳工作温度下对乙醇（50 ppm）的响应高达55,比纯In2O3-350纳米微球高8.8倍,最佳工作温度下降90°C。此外,1%Au/In2O3-350介孔纳米球还具有良好的选择性、较短的响应/恢复时间、较低的检测限、良好的线性关系、重复性和稳定性。1%Au/In2O3-350纳米微球较佳的乙醇气敏性能主要归因于其较大的比表面积和丰富的介孔孔道,Au纳米颗粒的电子增感作用有效调控了材料的电阻,而Au纳米颗粒的催化作用显著提高了氧气的吸附和解离能力,并促进了吸附氧与乙醇气体的反应。（2）采用均匀沉淀法合成了花状In（OH）3前驱体,经300°C焙烧后制备了花状介孔In2O3,并采用溶胶固定化法在花状介孔In2O3上负载Au纳米颗粒,合成了一系列Au修饰花状介孔In2O3（Au/In2O3）。采用XRD、SEM和XPS等方法对Au/In2O3的形貌、晶相结构和元素组成进行了表征并对其气敏性能进行了探究。结果表明1%Au修饰的花状介孔In2O3-300（1%Au/In2O3-300）对乙醇气体表现出更好的气敏性能,在160°C操作温度下对50 ppm乙醇的响应值达到115,是花状介孔In2O3的12倍,且最佳工作温度降低了50°C。同时,花状介孔1%Au/In2O3-300也拥有出色的选择性、较低的检测限、较佳的线性关系、重复性和稳定性。花状介孔1%Au/In2O3-300杰出的表现来源于其高的比表面积（130 m~2/g）、大量的介孔孔道和高度分散的Au纳米颗粒,促进了氧气的吸附和解离以及乙醇气体的吸附和催化氧化。（3）以Co（NO3）2·6H2O为钴源,二甲基咪唑为配体,在均匀沉淀法合成的花状In（OH）3前驱体表面沉积ZIF-67纳米颗粒,在400°C下煅烧后制备了不同Co含量的Co3O4修饰花状介孔In2O3（Co3O4/In2O3）。采用XRD、SEM和XPS等方法对Co3O4/In2O3的晶相结构、形貌和元素组成进行了表征并对其气敏性能进行了探究。研究发现花状介孔Co3O4/In2O3具有较大的比表面积和大量的介孔结构,其中5%Co3O4/In2O3-400的比表面积最大,达到了105 m~2/g,并且对甲醛气体具有最佳的气敏性能,在160℃的最佳工作温度下,对50 ppm的甲醛气体响应值达到41,比纯In2O3-400高8.5倍。同时,花状介孔5%Co3O4/In2O3-400也拥有较高的选择性、较好的线性关系、重复性和稳定性。5%Co3O4/In2O3-400较高的气敏性能主要是由于5%Co3O4/In2O3-400的比表面积大、活性位点多,Co3O4与In2O3结合成p-n异质结,形成了更多的界面缺陷,促进了氧气的吸附和活化,通过电子敏化作用有效调控了电阻,显著增大了电阻变化幅度。
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