In2O3纳米纤维的有序取向制备及其气体传感性能研究

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在现代社会中,随着生产生活水平的日渐提高,人们对生活环境、生产过程控制的要求也越来越高。气体传感器即是一种被开发用来探测环境中某种气体成分变化的装置,半导体气体传感器作为气体传感器中的一类,由于具有机械性能良好、稳定性高、寿命长、价格便宜等优点,被广泛地研究和应用。本论文即是介绍了一种性能良好的半导体气体传感器。本论文采用广普气敏材料In2O3为敏感材料,通过调整材料形貌和掺杂贵金属及氧化物的方式来尝试改善材料的气敏性能。本论文的第一部分内容是有序排列的In2O3纳米纤维的制备及气敏性能研究。实验中采用In(NO33·4(1/2)H2O为前驱体,利用溶胶-凝胶与磁诱导静电纺丝法制备材料, X射线衍射分析(XRD)结果显示制备的In2O3为立方铁锰矿结构,扫描电镜(SEM)结果显示制备的In2O3纳米纤维有序排列,直径均匀,在100nm左右。应用陶瓷结构衬底制作气敏元件,测试结果表明,有序排列的In2O3纳米纤维在245°C时,对50ppm的Cl2气体的灵敏度达到3.2,响应恢复特性、稳定性较好;在275°C时,对50ppm的NO2气体的灵敏度达到4.3,响应恢复特性、稳定性较好;在120°C时,对500ppm的乙醇气体的灵敏度达到17,响应恢复特性较好。论文的第二部分为制备Au掺杂的In2O3纳米纤维,实验中采用In(NO33·4H2O、HAuCl4为前驱体,利用传统的静电纺丝装置制备了不同掺杂浓度(0.1,0.2,0.3,0.4wt%)Au/In2O3纳米纤维,X射线衍射分析(XRD)结果显示制得的Au/In2O3为立方铁锰矿结构,而由于掺杂量低,Au的衍射峰并没有显现出来。扫描电镜结果显示制得的Au/In2O3纳米纤维无序排列,直径在100nm左右。应用共平面结构衬底制作微传感器,测试结果显示,0.2wt%Au/In2O3纳米纤维对比其它掺杂浓度的材料,对乙醇具有较好的气敏性能:在140°C时,对500ppm的乙醇气体,灵敏度达到13.8,响应时间为12s,恢复时间为24s,此时,元件的加热电流为35mA,而加热丝的电阻为105Ω,元件功耗为222.5mW。论文的第三部分为制备有序排列的0.2wt%Au/In2O3纳米纤维,光学显微镜照片显示材料有序排列,气敏特性测试结果显示,与无序排列的0.2wt%Au/In2O3纳米纤维相比,有序排列的0.2wt%Au/In2O3纳米纤维的响应恢复速度更快。实验的第四部分采用向基体材料In(NO33·4(1/2)H2O中添加另一种物质Cd(NO32·4H2O,研究不同烧结温度对制得的材料组成、结构组成的影响,X射线衍射分析(XRD)结果显示,经600°C烧结的材料组成为CdInO4/In2O3。气敏特性测试结果表明,该材料在250°C时对500ppm的乙醇气体灵敏度达到13,优于其它烧结温度(500°C,700°C,800°C)所得的材料。
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