【摘 要】
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挥发性有机气体（VOC）的排放严重危害着人体健康,长期过量接触会导致各种恶性疾病发生,因此对其进行准确检测显得尤为重要。以SnO2为代表的金属氧化物半导体气体传感器虽然具有成本低、使用便捷等优点,但仍存在选择性差、响应值低和工作温度高等不足,限制了其大范围应用。如何有效提高SnO2对VOC气体的气敏特性成为气敏材料研究的热点之一。本文选用具有规则孔道结构和大比表面积的ZSM-5沸石与SnO2复合,
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挥发性有机气体（VOC）的排放严重危害着人体健康,长期过量接触会导致各种恶性疾病发生,因此对其进行准确检测显得尤为重要。以SnO2为代表的金属氧化物半导体气体传感器虽然具有成本低、使用便捷等优点,但仍存在选择性差、响应值低和工作温度高等不足,限制了其大范围应用。如何有效提高SnO2对VOC气体的气敏特性成为气敏材料研究的热点之一。本文选用具有规则孔道结构和大比表面积的ZSM-5沸石与SnO2复合,利用沸石的分子筛特性和吸附特性等实现对SnO2传感器甲醛选择性和响应值的提升。文中主要针对不同SnO2/ZSM-5沸石复合结构对甲醛气敏性能改善的作用、气体分子在ZSM-5沸石中的动力学行为对传感器气敏特性的影响、沸石及其作用下的氧空位SnO2气敏机理等问题展开研究,主要研究内容包括:1.使用涂覆法、浸渍法和静电纺丝法分别制备了分层结构、脚手架结构和纳米纤维结构的SnO2/ZSM-5沸石复合材料,三种材料较SnO2对甲醛气敏特性均有改善,其中静电纺丝法制备的SnO2/ZSM-5沸石纳米纤维对甲醛气敏特性的改善最为显著。ZSM-5沸石的引入增加了SnO2氧空位缺陷浓度,对于甲醛气敏特性的提升起到了重要作用;SnO2/ZSM-5沸石复合材料中SnO2与ZSM-5沸石的界面作用提升了传感器对甲醛气体的响应值。2.利用蒙特卡洛方法和分子动力学理论对甲醛、丙酮气体分子在ZSM-5沸石中动力学行为进行了仿真计算。讨论了气体分子在ZSM-5沸石中的负载量、吸附位、扩散系数和渗透情况对于传感器性能的影响。在与水的竞争吸附中,丙酮远离沸石骨架极性中心,而甲醛可在该位点稳定吸附,与沸石发生电荷转移;在渗透中,丙酮由于具有较大的分子动力学直径,很难穿过沸石与敏感材料接触。在小分子的阻塞作用下,该现象愈发严重,而甲醛很容易通过直孔道穿过沸石,并在沸石表面形成富集。ZSM-5沸石吸附特性和分子筛特性的协同作用是提高SnO2/ZSM-5沸石传感器甲醛选择性的原因。气体分子在沸石表面的富集是提高SnO2与ZSM-5沸石界面作用的主要原因。3.基于密度泛函理论,分析了甲醛、丙酮在ZSM-5沸石团簇模型上的吸附性能以及气体分子与沸石之间的电荷转移情况。气体分子在沸石中的极性中心形成稳定吸附构型,其中甲醛较丙酮具有更大的吸附能和电荷转移量;构建了SnO2/ZSM-5沸石复合材料中沸石影响下的SnO2氧空位模型,对比讨论了SnO2（110）化学表面与还原性表面甲醛、丙酮等气体分子在与氧气、水共吸附时的吸附性能。在吸附氧的作用下,甲醛在SnO2（110）面桥位氧空位处发生氧化反应,改善了其在材料表面的吸附性能;表面氧空位缺陷数量的增加提高了材料表面与气体分子之间的吸附能和电荷转移量;甲醛与根羟基中氧原子的键合,削弱了水对材料表面吸附性能的影响,提高了SnO2/ZSM-5沸石传感器对甲醛的选择性。通过对比分析气体分子在不同表面的吸附情况,建立了SnO2/ZSM-5沸石复合材料中氧空位SnO2在真实检测环境下的甲醛气敏机理改善模型。
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