论文部分内容阅读
本论文基于静电纺丝法制备了具有不同微观形貌特征的一维（1D）Sn O2基微纳米复合材料,主要包括中空多孔Sn O2/Ni O纤维,中空多孔Sn O2/Zn2Sn O4纤维,分级Sn O2/In2O3纤维,和中空多孔Sn O2/Cu O纤维。通过构建合适的异质结,能够有效调控Sn O2基复合材料的晶体成核及长大过程,获得一系列具有尺寸可调、形貌可控的Sn O2基1D结构,系统研究材料的物相组成、微观形貌、表面/界面传输机制等对相关气体的气敏传感性能,提出了新颖的气敏增强机理。研究表明,在紫外光激发下,不同的Sn O2基复合材料能够产生更多的电子-空穴对,引起更大的载流子浓度以及更快的表面电子传输效率,显著增强了材料的气敏响应行为。本论文的主要研究内容如下:1.采用合适的静电纺丝技术制备了具有优异的表面电子传递性能的中空多孔Sn O2/Ni O异质结构。通过在前驱体纺丝液中引入适量的Ni组分,调控高温煅烧过程中Sn O2和Ni O的成核与长大行为,探索不同微观结构的演变机制。研究表明,在Sn O2基体纤维中引入Ni O晶相,可以显著提高Sn O2/Ni O复合材料对正丁醇气体的气敏传感性能。例如,Sn O2和Sn O2/Ni O样品均在280℃表现出最佳的气敏响应值,其中Sn O2/Ni O复合材料对100 ppm正丁醇气体表现最大的199的响应值,能够达到纯相Sn O2纤维的4.5倍。当Ni组分的添加量增加到5%时,Sn O2/Ni O复合材料不仅响应/恢复时间能够从纯相Sn O2样品的57/16 s明显降低到36/10 s,还显示出对正丁醇具有良好的选择性和长期稳定性。其气敏增强机理主要归于Ni O-Sn O2 p-n异质结及中空多孔1D结构的形成,能够提供较大的比表面积和大量的活性位点,促进正丁醇分子与材料表面上的氧物种反应。2.通过调节前驱体纺丝液中ZIF-8的添加量,获得了1D结构的中空多孔Sn O2/Zn2Sn O4复合材料。研究表明,与不同样品在通常条件下的气敏性能相比,在紫外光激发下,Sn O2/Zn2Sn O4样品的最佳工作温度可以从260℃大幅度降低到120℃,并显著提高了目标气体的选择性。当最佳工作温度为120℃时,与纯相Sn O2相比,Sn O2/Zn2Sn O4异质结构对三乙胺（TEA）表现出更大的响应值（从1.7增加到2.8）和更快的响应/恢复时间（从24/154 s减少到14/42 s）。通过有效检测虾类储存过程中释放的气体,显示出Sn O2/Zn2Sn O4气敏复合材料在海鲜产品新鲜度评估领域的应用前景。紫外光激发增强的表面电子迁移过程有助于增强n-n异质结与可调表面/界面电子传输行为之间的协同效应,有效促进TEA分子在材料表面的吸附/脱附行为。3.采取简便的静电纺丝技术制备了分级Sn O2/In2O3异质结构。研究发现,1D分级结构由基体纤维和表面原位生长的纳米颗粒组成。In-MIL-68添加量的提高能够增加材料表面颗粒的数量,降低其平均粒径,获得更大的比表面积,增强Sn O2/In2O3复合材料的反应活性。研究表明,在通常条件下,Sn O2/In2O3样品显示出较高的最佳工作温度（300℃）和较差的气体选择性。然而,在较低功率（120 m W/cm~2）的紫外光激发下,Sn O2/In2O3气敏材料的最佳工作温度能够从300℃显著降至90℃,并显示出更好的响应值（6.47）和更小的检测极限值（1.07 ppm）,气体选择性也得到明显提高。通过检测虾类储存过程中释放的气体,评估了基于Sn O2/In2O3气体传感器的应用潜力。Sn O2/In2O3复合材料对TEA的气敏增强机理主要归于紫外光激发下显著增强的n-n异质结的电子迁移行为以及特殊的分级多孔结构调控的吸附/脱附过程。4.通过在前驱体纺丝液中引入适量的Cu-MOF,获得了形貌可调的中空多孔Sn O2/Cu O纤维。研究发现,随着Cu-MOF添加量的增多,Sn O2的（110）晶面的衍射峰强度显著增强,能够有效调控Sn O2/Cu O复合材料的晶体成核与长大过程。例如,Sn-Cu2样品具有纳米颗粒有效排列的中空多孔1D微观结构。气敏测试结果表明,在无紫外光激发下,所有样品在50℃能够对50 ppm的TEA显示出气敏响应行为,但响应值较低且电阻稳定性差。研究发现,在紫外光激发下,所有样品均能够在室温下对TEA表现出较好的气敏检测行为。其中,Sn-Cu 2样品的TEA气敏特性尤为突出,如对50 ppm TEA表现出较大的响应值（3.5）、可完成的表面TEA气体分子的脱附、优异的循环稳定性、较好的单位湿度变化产生较低的响应值衰减率（0.33%）等。其气敏增强机理主要归于紫外光激发导致气敏材料产生丰富的电子-空穴对,有效调控材料表面/界面的电子传输行为和载流子浓度,改善了Cu O-Sn O2 p-n异质结之间的定向传递过程,导致气敏材料表面导带中更多的自由电子被捕获,产生更多的吸附氧物种,有效促进了与TEA气体分子之间的化学反应;此外,材料独特的微观结构为气敏传感行为提供了更丰富的活性位点和气体分子传输通道。