论文部分内容阅读
硫化氢(H2S)是一种常见的无色有毒恶臭气体,主要来源于动植物腐败、火山喷发、石油天然气开采精炼、化学品制造和废物处理等过程。由于具有较强腐蚀性,H2S会使催化剂失活,引发环境污染,腐蚀破坏各种工业设备导致能量损失、效率低下。H2S对人体的危害性也是非常大的,浓度较低时,具有臭鸡蛋味,对眼、呼吸系统及神经系统有刺激作用,而当浓度较高时,人的嗅觉神经中枢因被麻痹而嗅不出气味,瞬时暴露在高浓度下,H2S刺激眼睛、呼吸道、肺,导致各种炎症,甚至可能导致死亡。因此,发展一种灵敏、快速、便携的气体传感器用于监测H2S,对于安全生产、人体健康、环境保护都是非常重要的。基于金属氧化物半导体(MOS)的气体传感器具有灵敏度高、长期稳定性好和响应-恢复快等优点,以及制作简单、成本低廉、易微型化和便于集成等特点,近年来引起了广泛关注。本文主要致力于通过调控材料的结构形貌、掺杂修饰等手段,以增大金属氧化物半导体材料的比表面积,使其暴露更多活性位点,从而改善传感器的H2S气敏性能。主要内容如下:第二章:本章通过一种简单的模板法,以氨基酚醛树脂球作模板,制备了中空微球(Hollow microspheres,HMS)结构的二氧化锡。将其涂覆于氧化铝陶瓷管金电极表面,形成一种新型薄膜式硫化氢传感器。采用透射电子显微镜(Transmission electron microscopy,TEM)表征了不同材料的形貌,使用X射线衍射仪(X-ray diffractometer,XRD)测试了不同材料的物相结构,并探讨了二氧化锡中空微球(Sn02 HMS)的气敏性能。实验表明,二氧化锡中空微球对硫化氢气体表现出良好的气敏特性。在最佳工作温度200℃时,所制作的传感器对100 ppm硫化氢的响应值高达97.13%,响应时间为22 s。该传感器对硫化氢的响应线性范围为0.2～100 ppm,相关性系数为0.9931,检出限达到0.1086ppm,且几乎不受环境湿度、温度的影响,具有良好的重现性和选择性。对养殖场中硫化氢气体连续监测10个月后,传感器响应信号衰减了 5.4%,表明该传感器具有长期稳定的使用寿命,可实现养殖环境远程监测的实际应用。第三章:本章以氨基酚醛树脂球作模板,制备了 ZnO@CuO中空微球。利用TEM对所制备的ZnO@CuO中空微球进行了表征,结果表明成功制备了形貌规整、尺寸均一的ZnO@CuO HMS,微球内壳直径约为220nm,外壳直径约为350nm,并且微球壳层存在有许多孔径不一的小孔。并将所制备的ZnO@CuO中空微球组装成气体传感器,研究了其对H2S的气敏性能。实验表明,在工作温度为260℃时,所制备的ZnO@CuO中空微球对H2S表现出快的响应-恢复速度,对25 ppm H2S的响应和恢复时间分别为81 s和85 s;该传感器的响应在10～100 ppm范围内与H2S浓度对数呈线性关系,斜率高达117.92,相关性系数为0.9929;并且,该传感器具有良好的重复性和稳定性,至少可持续正常工作60天,在环境监测领域有潜在的应用价值。第四章:本章通过一个水相路径成功地合成了金纳米颗粒/二氧化锡/还原氧化石墨烯(AuNPs/Sn02/rGO)三元纳米复合物。采用紫外-可见和红外光谱方法表征了所制备的纳米材料。将所制备的AuNPs/SnO2/rGO涂覆于氧化铝陶瓷管金电极表面,形成一种新型薄膜式硫化氢(H2S)气体传感器。气敏实验表明,AuNPs/SnO2/rGO传感器对100 ppm H2S的响应是Sn02/rGO的1.5倍,并且响应速度更快,这可能是金纳米颗粒的催化效应引起的。该传感器在室温下对H2S具有快的响应-恢复速度,响应、恢复时间分别为34s和78s。在25～150 ppm范围内该传感器对H2S具有良好的线性响应,相关系数为0.9940,而且该气敏传感器具有良好的重复性、重现性和稳定性,在环境监测领域有潜在的应用价值。