离子液体辅助合成金属氧化物纳米材料及其气敏性能的研究

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材料的性能不仅取决于材料的化学组成,而且取决于材料的尺寸、微观形貌、表面状态等因素。因此,近些年纳米材料的控制生长成为了材料科学研究的热点。离子液体拥有很多独特的性质,可以用来合成在传统溶剂中难以合成的新型纳米材料,为纳米材料的制备开辟了一条新的途径。与常规气敏材料相比,纳米气敏材料具有不可替代的优势:一是材料具有很大的比表面积,可以提供大量的气体通道,提高了气体灵敏度;二是降低了工作温度,降低了能耗;三是大大缩减了传感器的尺寸。同时金属氧化物纳米材料具有灵敏度高、响应恢复快、测量范围广、寿命长,尤其是成本低、制作简便的特点。因而研究金属氧化物纳米材料气敏性能具有重要意义。本论文通过离子液体辅助合成的方法制备了氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO2)和氧化铜(CuO)纳米材料,分别用X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜、气敏元件测试系统、电化学工作站等对材料进行表征、分析和测试。讨论了影响金属氧化物纳米结构的因素,阐明了在离子液体参与下金属氧化物的独特生长机制。用所得纳米颗粒制成气敏元件,对灵敏度、响应恢复时间等性能进行了测试,并探索了其气敏工作机理。具体工作如下:(1)在离子液体前驱体苄基三甲基氢氧化铵(BTMAH)的辅助下制备了片状结构的氧化锌纳米颗粒。研究了影响氧化锌生长和形貌的因素,探索出反应体系中不同锌盐含量、水含量等对氧化锌生长规律的影响。并阐述了离子液体辅助下氧化锌结构的生长机制。同时对氧化锌进行了气敏性能的测定。结果发现,元件的最佳工作温度为240℃材料对乙醇气体具有很高的灵敏度,在低浓度条件下依然保持较高的灵敏度。同时具有响应恢复快、稳定性好等优点,对气敏传感领域的发展具有重要意义。(2)在离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐([BMIM]C1)辅助下成功制得了纳米棒组装微球结构的氧化锡颗粒。研究了反应时间和离子液体浓度对最终产物形貌的影响。通过对生长机制的研究发现,离子液体在氧化锡纳米颗粒生成过程中对形貌的演变和结构的组装起到了重要的作用。同时在气敏性能的研究中,反应时间为10h的氧化锡材料表现出更高的灵敏度。通过对多种有机气体的检测,我们发现制备的氧化锡材料对不同的气体均表现出良好的气敏性能,可用于多类型的气体检测之中。(3)在离子液体前驱体苄基三甲基氢氧化铵(BTMAH)的辅助下制备了片状结构的氧化铜纳米材料。考察了铜盐含量和离子液体含量对所得样品形貌的影响。研究发现,离子液体与水混合溶液的粘度的变化对氧化铜生长过程具有重大的影响。对材料的气敏性能测试中,氧化铜对各种气体均有良好的灵敏度和快速的响应恢复性能,且稳定性好。采用循环伏安法对氧化铜材料进行电化学性能测试。循环伏安曲线显示氧化铜片状结构对过氧化氢的氧化还原反应具有良好的电活性。
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