基于静电纺丝技术制备WS2气敏材料及其敏感性能研究

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气体传感器和人们的日常生活息息相关,在国家科技领域与国防建设方面占有重要地位,用于检测多种有毒有害气体,如氨气、硫化氢、二氧化硫等。制备出性能优异的气体传感器,能准确快速的检测到空气中有毒有害、易燃易爆气体,成为了当今社会发展必不可少的条件。其中,关于半导体气体传感器的研究在近些年来尤为广泛,以其结构上的简单、操作上的方便、成本上的低廉等优点迅速成为研究热点。在半导体气体传感器方面的研究中,器件的实用性与高性能是人们所追求的主要目标,所谓的高性能指的是良好的灵敏度,快速的响应恢复时间,对特殊气体的识别能力等。但是这些重要的气体传感特性主要取决于所使用的气敏材料的微观结构和表面物理化学特性。传统的气敏材料,其晶粒或者孔尺寸较大,导致其比表面积较小而且膜厚较大,不利于高性能气敏元件的设计与制作。因此,当前构筑高性能气体传感器的核心就是找寻一种更为高效、更为优良的气体敏感材料。二硫化钨(WS2)是典型的过渡族金属硫化物,其结构是类似于石墨烯的层状结构,具有独特的光、电、催化等性能,近年来在摩擦和催化等领域有着广泛应用。纳米WS2比表面积很大,结构稳定,高温下抗氧化能力强,是一种性能优异的气敏材料,对其气敏性能进行研究及改进具有重要意义。本研究采用静电纺丝结合退火处理的方法制备出高质量的WS2纳米材料,由于贵金属纳米颗粒的掺杂能提升气敏材料表面对目标气体分子的吸附能力,通过对未掺杂和掺杂了贵金属的层状纳米WS2进行气体敏感性能对比测试,结果表明:在220℃的最佳工作温度下,纳米WS2气敏元件对氨气具有优异的响应灵敏度、优良的选择性、快速的响应和恢复特性,而Ag粒子的掺杂提高了气敏元件的灵敏度且并未影响选择特性和响应恢复特性。具体研究内容如下:(1)结合静电纺丝和退火处理方法合成了纳米片WS2,对其结构和形貌进行了表征。整个过程主要包括电纺前驱溶液的配置、静电纺丝工艺、硫化工艺的研究。(2)基于纳米片WS2制作旁热式气敏元件,主要包括陶瓷管的清洗、气敏浆料的制备、敏感膜的涂覆和烧结、电极的固定等。(3)自行简易设计了基于气敏元件的测试气室,并结合直流电源、数字源表等设备搭建了简易的气敏测试电路。(4)制备了氨气、无水乙醇、丙酮气体等气体,将被测气体通入气室中进行气体敏感性能测试,根据测试数据分析了基于纳米WS2制作的旁热式气敏元件的气体敏感性能。(5)采用多元醇化学法制备获得掺杂Ag的纳米WS2层状结构,与未掺杂的层片状纳米WS2相比,Ag-WS2对目标气体表现出更好的响应特性、选择特性,具有更高的灵敏度。(6)结合旁热式气敏元件工作原理与气敏薄膜微结构,通过对已有测试数据的分析和相关理论知识,明确了敏感材料表面的电荷转移以及电导率变化过程,从而明确了本研究的气敏传感机理。
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