【摘 要】
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近年来,ZnO气体传感器在H2、NOx、NH3和VOCs等有害气体的检测中发挥重要作用。一维纳米纤维和核壳结构材料,因其显著的电学、催化性能及表面功能可调控以满足个性化需求的特征,吸引了大多数研究者用以改进气体传感性能。本论文的Ce掺杂ZnO纳米纤维由单轴静电纺丝法制备。当Ce掺杂量为2 mol%时,Ce3+/Ce4+在ZnO中有着较少的分散,ZnO可以正常成核,样品结晶性提高。由于添加的Ce3+
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近年来,ZnO气体传感器在H2、NOx、NH3和VOCs等有害气体的检测中发挥重要作用。一维纳米纤维和核壳结构材料,因其显著的电学、催化性能及表面功能可调控以满足个性化需求的特征,吸引了大多数研究者用以改进气体传感性能。本论文的Ce掺杂ZnO纳米纤维由单轴静电纺丝法制备。当Ce掺杂量为2 mol%时,Ce3+/Ce4+在ZnO中有着较少的分散,ZnO可以正常成核,样品结晶性提高。由于添加的Ce3+和NO3-使得前驱体溶液的电导率和粘度发生改变,静电纺丝获得的Ce掺杂ZnO纳米纤维直径减小,并且证实Ce以其氧化物形式掺杂于ZnO纳米纤维中。与纯相ZnO纳米纤维相比,2 mol%Ce掺杂ZnO对1 ppm丙酮在325°C存在最大响应,其值为22.20。在2.0～10 ppm丙酮浓度范围内,其灵敏度相较于纯相ZnO增加了16.8倍。经过30天的稳定性测试,2 mol%Ce掺杂ZnO对2 ppm丙酮仍保持较高响应值。Ce掺杂ZnO纳米纤维对丙酮灵敏度提高的气敏机理可以归结于其一维纳米纤维结构和Ce的掺杂促使了ZnO氧缺陷含量的增加及吸附氧能力的提高。本论文采用同轴静电纺丝法制备ZnO@CeO2核壳结构纳米纤维,该纤维是由两种独立存在的金属氧化物构成的复合材料,其表面的Ce浓度较高,并结合透射电子显微镜和能谱扫描发现材料具有核壳结构。与纯相ZnO和CeO2纳米纤维相比,ZnO@CeO2核壳结构纳米纤维在370℃下对在0.2～10 ppm范围内的丙酮具有最好的动态响应-恢复曲线,并满足线性关系。在370°C时,ZnO@Ce O2核-壳纳米纤维对1 ppm丙酮具有更好的选择性,其响应值为8.2。ZnO@Ce O2核-壳异质结构纳米纤维对丙酮灵敏度提高的气敏机理可以归结于其一维纳米纤维结构和核壳n-n型异质结构的协同作用。本论文采用单轴静电纺丝法经预氧化和碳化处理得到聚丙烯腈基碳纳米纤维薄膜（CFF）,其具有较好的柔性对折能力,可作为ZnO气敏材料的电极基材。室温下,CFF气体传感器呈现典型的p型半导体性质,其对10 ppm无水乙醇的响应为2.20%。随后利用水热法实现ZnO在CFF上的成功负载,当ZnAc2·2H2O的加入量为1.00 g时,室温下该器件对10 ppm无水乙醇具有较好的选择性。在无水乙醇浓度为20 ppm时,其响应值达到33.21%,这相比于1 ppm时增加了将近50倍。室温下,氧分子以物理吸附形式存在于ZnO负载CFF器件的表面,使得材料表面电阻小程度增加,可以用来解释ZnO负载CFF材料相较于CFF气敏性能有所提高的原因。总之,通过掺杂元素或创建异质结构得到的ZnO基复合纳米纤维气体传感器检测限较低,在糖尿病诊断领域具有潜在的应用价值。此外,柔性碳纳米纤维薄膜作为电极基材,将ZnO气敏材料负载于CFF上,对于柔性可穿戴气体传感器的制备是一个成功的探索。
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