【摘 要】
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金属氧化物半导体气体传感器能够有效检测大多数的有毒有害气体,敏感材料是金属氧化物半导体气体传感器的核心部分,开发出高性能的敏感材料对气体传感器的发展尤为关键。氧化镍（NiO）是一种具有高催化活性的p型金属氧化物半导体材料,其表面存在大量的化学吸附氧,有利于设计出具有抗干扰和快速响应恢复能力的气体传感器。然而在实际应用中,由于p型半导体特殊的传导方式,导致NiO基传感器气敏响应值普遍很低,限制了它们
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金属氧化物半导体气体传感器能够有效检测大多数的有毒有害气体,敏感材料是金属氧化物半导体气体传感器的核心部分,开发出高性能的敏感材料对气体传感器的发展尤为关键。氧化镍（NiO）是一种具有高催化活性的p型金属氧化物半导体材料,其表面存在大量的化学吸附氧,有利于设计出具有抗干扰和快速响应恢复能力的气体传感器。然而在实际应用中,由于p型半导体特殊的传导方式,导致NiO基传感器气敏响应值普遍很低,限制了它们的应用。根据NiO良好的导电特性,可通过掺杂和构建异质结促进NiO内电子敏感化,能够有效提高NiO基传感器的响应值和选择性等气敏性能。我们利用金属有机框架（MOFs）模版,制备出具有大比表面积多孔特性的掺杂和异质结构NiO材料,实现了对三乙胺及二甲苯气体的高响应值、快速检测,并深入研究了其气敏机理。具体研究内容如下:1.利用金属有机框架模版制备出NiO及Ga离子掺杂NiO枝晶多孔结构。气敏测试表明,3 at%Ga-NiO基传感器在最佳工作温度时,对50 ppm三乙胺气体的响应值为21.5,是未掺杂NiO基传感器响应值的14倍,表现出快速的响应/恢复速度（2 s/6 s）和良好的稳定性。Ga3+离子掺杂引起NiO内空穴浓度降低,表面氧空位含量增加,比表面积增大是气敏响应值提升的关键因素。枝晶多孔结构能够为气体分子的扩散提供更多的通道,实现了对三乙胺气体的快速检测。2.设计并制备出NiO及Fe离子掺杂NiO纳米片分等级结构。研究了表面活性剂和反应时间对样品微观形貌的影响,并根据形核自组装机理,提出了生长机制。气敏测试表明,0.52 at%Fe-NiO基传感器在最佳工作温度时,对50 ppm三乙胺气体的响应值为64,是未掺杂NiO基传感器响应值的21倍,具备快速的响应恢复速度。Fe3+离子与Fe2+离子的快速可逆变价,掺杂引起表面空位含量增加,增强了响应值。3.设计并制备出多面体NiO及NiMoO4-NiO异质结构。研究了表面活性剂对样品微观形貌的影响,并根据MOFs材料配位延展的特点,提出了生长机制。气敏测试表明,5 wt%NiMoO4-NiO基传感器在最佳工作温度时,对50 ppm三乙胺气体的响应值为150,是纯NiO基传感器响应值的57.7倍,另外是其他干扰气体的10倍及以上,表现出优异的选择性,并加快了响应恢复速度。NiMoO4-NiO异质结间内建电场降低NiO内空穴浓度,以及Mo6+离子的引入增强了对三乙胺气体的催化作用,提高了三乙胺气体的响应值和选择性。4.利用金属有机框架模版制备出棒状NiO及Ni WO4-NiO异质结构。研究了传感器的工作温度对气体选择性的影响。气敏测试表明,12 wt%Ni WO4-NiO基传感器在240℃时,对50 ppm三乙胺气体的响应值为65,是50 ppm二甲苯气体响应值的3倍。在270℃时,对50 ppm二甲苯气体的响应值为28,是50 ppm三乙胺气体响应值的2.8倍,实现了两种气体在不同工作温度下的双重检测。工作温度影响表面氧化还原反应活性,选择性催化不同气体的官能团,是获得双重检测性能的原因。
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