氧化铜/氧化钨纳米材料制备及其在气体传感器中的应用研究

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随着社会经济的快速发展以及工业化、城市化水平的不断提高,大气污染问题日益严峻,开发高效的气体传感器将有助于环境中有毒有害气体的检测。其中,硫化氢(H2S)和氨气(NH3)都是具有恶臭味的气体且在低浓度下均会对人体器官造成损伤甚至致人死亡。因此,有效地检测环境中微量的H2S和NH3气体对保证人类的健康生活具有重要意义。金属氧化物气体传感器由于成本低,操作平稳且易小型化而受到广泛的关注,然而在实际应用中却存在能耗大、稳定性差以及使用寿命短的问题。为了解决上述问题,本论文以p型半导体CuO材料和n型半导体WO3材料为主要敏感材料,通过掺杂和复合实现了低温/室温下对H2S气体的检测,并成功的将金属氧化物与柔性基体结合,实现了室温下对NH3气体的有效检测,并对气敏机理做了详细研究。本文主要研究内容如下:(1)采用简单的水浴加热法制备了纯CuO以及Au、Ag和Cr掺杂的CuO微纳米结构。通过XRD、SEM和ICP对样品的组成及结构进行分析,并将上述样品制备成气敏元件,测试其在不同温度下对10 ppm H2S的气敏特性。结果表明,基于1.25 wt%Au掺杂的CuO气体传感器对H2S具有最佳的传感特性,在40 oC的最佳工作温度下灵敏度达到128,是纯CuO气体传感器(4.96)的25.8倍;检出下限为100 ppb,具有良好的选择性和稳定性。(2)采用简单的水热法制备了花状WO3微球和花状WO3/CuO微球。通过XRD、SEM、TEM及BET对样品的形貌、结构及组成进行表征。将上述样品制备成气敏元件,测试其对H2S、NO2、NH3、NO、CO、甲苯、二甲苯、苯、甲醇、乙醇和丙酮的气敏特性。结果表明,基于花状WO3微球的气体传感器在工作温度为80 oC时对5 ppm H2S具有最佳的气敏性能,检出下限为500 ppb。基于花状WO3/CuO微球的气体传感器在n(WO3):n(CuO)=7:1时,对5 ppm H2S气体在最佳工作温度(80 oC)下灵敏度达到105,检出下限进一步降低至300 ppb,选择性进一步增强,具有良好的稳定性、可重复性以及快速的响应时间。同时从p-n异质结构的形成等方面详细解释了花状WO3/CuO微球气体传感器气敏性能增强的机理。(3)采用简单的水热法制备了花状WO3微球,之后与苯胺混合,采用原位聚合的方法制备出PANI/WO3复合材料以及PANI/WO3棉线。通过XRD、SEM及EDX对样品的形貌、结构以及组成进行了表征,将上述棉线夹在自制夹具两端进行气敏测试,结果表明PANI/WO3棉线在室温下对100 ppm NH3气体的灵敏度达到7,是纯PANI棉线(2.6)的2倍多;响应(165 s)和恢复(340 s)迅速,具有良好的选择性、重复性以及稳定性。另外,对于p-n异质结的形成以及纤维结构对气敏性能的提升做了详细讨论。
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