金属氧化物湿敏复合材料的制备及应用

来源 :北京化工大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:hq10000002
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湿度的测量和控制在工农业生产,食品生产与储存,家庭环境,医疗设备等许多领域都起着重要作用。影响湿度传感器性能的核心因素是湿度敏感材料的选择。针对湿度敏感材料的创新一直是湿度传感器领域的重点研究内容。其中,金属氧化物材料具有制作简单,成本低廉以及高的灵敏度等优越的湿敏特性,受到越来越多的研究者的关注,但单一的金属氧化物存在响应时间较慢的缺点,本文主要就是针对传统的金属氧化物的响应速度方面的湿敏性能的改善开展的工作。采用材料复合、离子掺杂及设计材料微观结构这三种手段制备了两种湿敏材料:CdO/Al2O3复合氧化物材料及Li+掺杂的ZnO材料。两种材料都表现了较好的湿敏性能,响应时间都较短。  1.CdO/Al2O3复合氧化物材料:本文采用水滑石前驱体法制备CdO/Al2O3复合氧化物材料并进一步研究在不同温度下焙烧得到系列CdO/Al2O3复合金属氧化物材料的湿敏性能。湿敏性能测试结果表明四种CdO/Al2O3复合金属氧化物都具有湿敏性能,其中在500℃焙烧得到CdO/Al2O3-500复合氧化物表现了最好的湿敏性能,特别是响应时间较短。在11%RH-95%RH湿度量程范围内,CdO/Al2O3-500复合氧化物阻抗值变化5个数量级,表现了很好的线性,较小的湿滞回差,响应时间是5s,恢复时间是15s。原因是CdO/Al2O3-500复合氧化物的表面积较大同时CdO/Al2O3-500保持类似岩石片层结构,提高了材料的稳定性和有序性,加速了对水的吸附和解吸。另一方面,通过水滑石焙烧得到的CdO/Al2O3-500复合氧化物比相同条件下焙烧共混无机盐得到的CdO&Al2O3-500复合氧化物具有更好的湿敏性质。水滑石前驱体法制备的样品比传统的焙烧物理共混无机盐的方法得到的样品结构更有序,拥有更好的线性关系,更大的数量级变化,结果表明了水滑石前驱体法制备复合氧化物的优势拥有一定的湿敏应用潜力。  2.Li+掺杂ZnO多级结构材料:本文采用简单的水热法在导电玻璃上制备纺锤形多级片层结构的ZnO以及掺杂Li+的ZnO材料。进一步探索了ZnO材料的湿敏性能以及Li+的掺杂含量对材料湿敏性能的影响。湿敏性能测试结果表明相比ZnO,掺杂Li+的ZnO的湿敏性能有了较大的改善,数量级变化变大,线性关系有了一定的改善,特别是响应时间都加快了很多。对比不同的Li+掺杂含量的ZnO多级结构的湿敏性能,当掺杂源LiCl掺杂含量为0.1488 g时,即ZnO/0.36%Li(ZnO∶Li(mol)=1∶0.36%),材料表现出最佳湿敏性能。在11%RH-95%RH湿度量程范围内,ZnO/0.36%Li复合材料电阻值变化3.5个数量级,湿滞小,响应时间是14 s,恢复时间是11s。通过对材料感湿机理的讨论验证了Li+掺杂对复合材料湿敏性能的积极作用既包括低湿条件下Li+作为吸湿性敏感离子在改善了复合材料的亲水性能,又包括高湿条件下Li+参与导电,引起材料电阻的急剧下降,很大程度地提高了复合材料的湿敏性能。
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