【摘 要】
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二十一世纪社会科技生活不断深入化发展,人们愈发建立起了环境保护和安全的观念,目光也开始聚焦于气体的监测分析,无论是对所处环境气体的定量定性监测,还是通过呼出气体诊断对人体健康状态的分析,都逐渐成为了日常生活不可缺失的一部分。气体传感器作为气体的监督者越来越多的在生产生活中被用于对环境污染物、毒害性气体以及与人体健康有关联的呼出气体的监测分析。作为气体传感器核心部位的气敏材料是气体传感性能和传感器使
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二十一世纪社会科技生活不断深入化发展,人们愈发建立起了环境保护和安全的观念,目光也开始聚焦于气体的监测分析,无论是对所处环境气体的定量定性监测,还是通过呼出气体诊断对人体健康状态的分析,都逐渐成为了日常生活不可缺失的一部分。气体传感器作为气体的监督者越来越多的在生产生活中被用于对环境污染物、毒害性气体以及与人体健康有关联的呼出气体的监测分析。作为气体传感器核心部位的气敏材料是气体传感性能和传感器使用性能的重要评判标准。其中,金属氧化物半导体(MOS)凭借其成本低廉,生产操作简单,良好的稳定性等优势普遍应用于气体传感器产业中。然而,随着检测行业,医疗分析行业的高速发展,金属氧化物半导体气敏材料由于其自身气体响应低,响应恢复慢,操作温度高,特定气体选择性差以及受环境水分的损害大等缺点难以满足与气体相关产业的需求。因此,对相关气敏材料的设计与调控是解决材料所存有问题的关键点,当下,贵金属的掺杂,多组分复合材料的制备,材料表面的改性等都逐渐成为提升材料气体传感特性的重要手段。ZnSnO3是具有典型钙钛矿结构的复合金属氧化物材料,因其卓越的化学、电学特性,展现出了诱人的气体传感性能。然而单一组分的ZnSnO3仍然存在有金属氧化物半导体所具有的缺点,使其在不同气体监测行业的应用具有一定的局限性。因此,本课题以ZnSnO3微球为研究对象,通过改变实验手段和调控实验参数,CuO,CeO2和PFDS被用来对ZnSnO3表面修饰,且对制备的材料进行气体传感行为的研究。研究结果如下:(1)通过便捷的共沉淀法,制备出了形貌结构均匀分散性较好的CuO/ZnSnO3中空微球。所合成的复合材料的直径在0.8-1 μm,ZnSnO3中空微球表面均匀分布有少量纳米级别的CuO。同时,改变了实验中CuO的掺杂量,以便探究掺杂量的不同对ZnSnO3气敏传感性能的影响。测试结果显示,8wt%CuO/ZnSnO3对乙醇在低温下显现出高的灵敏度,优良的选择性和快速的响应恢复性能,在最优工作温度160℃,基于8 wt%CuO/ZnSnO3的传感器件对100 ppm乙醇的响应高达131,响应恢复时间分别是13 s和8 s,测试分析结果表明制备的材料具有优越的乙醇传感特性。CuO和ZnSnO3之间的异质结在提高材料的乙醇响应中起到了重要作用。(2)通过简便的两步水热法,制备了CeO2纳米点修饰的ZnSnO3中空微球。所制备复合材料的直径在0.8-1.4 μm,粒径约为10 nm的CeO2纳米点均匀的生长在ZnSnO3中空微球的表面。通过调控CeO2的生长温度以及掺杂量的实验参数,对实验条件进行了探索,以获得气体传感性能最佳的复合材料。测试结果显示,通过CeO2与ZnSnO3的复合,其中基于15 wt%CeO2/ZnSnO3的传感元件很大程度上增强了对乙醇的传感响应和目标气体选择性,低浓度乙醇的检测和传感的响应恢复能力。在最优工作温度200℃,对100 ppm的乙醇的响应高达219.2,理论检测下限达11.3 ppb,且响应恢复时间减到12 s和22 s。这反映出所制备的材料在乙醇的检测中具有极高的应用前景。材料所获得的优异气敏性能归因于CeO2与ZnSnO3之间的n-n异质结作用。(3)通过简单操作的气相沉积法,获得了 1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷(PFDS)对ZnSnO3微球表面疏水改性的气敏材料。疏水改性对由小纳米颗粒组装构成的ZnSnO3微球的微观结构并没有太大影响,整体材料的直径在0.8-1.4 μm。进行了不同沉积时间的探索实验,以获得最优抗湿性能的复合材料。测试结果显示,通过PFDS在ZnSnO3微球表面进行3 h沉积,对其产生疏水改性,很大程度上改善了材料的湿度依赖性,使得所获得的复合材料在不同湿度条件下对乙醇的传感行为没有变化,且在干燥以及高湿度环境中,都对乙醇气体分子具有优良的选择性。材料的抗湿性能归因于PFDS对材料表面的疏水改性,使水分子不能参与气体响应。结果表明所制备的材料能够在高湿度工作环境亦或是人体呼出气的检测分析中具有一定的应用前景。
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