氧化铟基纳米材料的制备及其气敏性能研究

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随着人们物质及精神文化水平的不断提升,对环境问题所投入的关注也越来越多。近年来,工业废气对生态环境的冲击屡见不鲜,这就需要研制实用化的气体传感器来对工业过程进行监控,控制各种污染和有毒气体的排放。天然气及煤的开采、石油化工产品的生产流程中都会产生硫化氢(H2S),当其浓度高于250ppm时即可使人中毒,为了保证工人和环境的安全,需要研制性能优良的H2S气体传感器,以便对H2S气体做准确的检测和控制。半导体材料具有独特的光、磁、气、热等敏感特性,因此在很多领域都得到了很好的应用,气体传感器领域也不例外。氧化铟(In2O3)作为一种宽带隙半导体材料,具有电阻率小,催化性能高等优点,引起了广大科研人员的重视,但它是一种普敏材料,因此提高In2O3的选择性等敏感性能成为国内外科研人员的研究重点。自1984年纳米材料被报道以来,以其特殊的结构及物理化学性质,引起了各领域的关注,各专业领域的科研人员对纳米材料的研究表现出极大的热忱。随着研究的深入,纳米材料已经被广泛应用于生物医疗、机械电子、环境能源、航空航天、工程建筑、光电信息等各个方面。纳米技术的发展使得分子尺度上的控制和改性成为可能,推动了材料改性的发展,大大提升了功能材料的性能。本文合成了In2O3纳米材料,为了提高选择性等敏感性能对其进行了掺杂。贵金属掺杂被认为是一种提高材料选择性的有效手段,因此在实验中进行了Pt的掺杂。为了进一步提升响应恢复特性及稳定性等气敏性能,又对材料做了碳纳米管的处理,碳纳米管的引入使得材料具备更大的孔径,有利于气体的吸附和脱附,提高气敏性能。具体内容如下:1.采用溶胶-凝胶法合成了In2O3纳米材料,通过用差热-热重分析(DTA-TGA)、X光射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)以及扫描电子显微镜(SEM)对材料进行了表征。合成的In2O3为立方结构,晶粒尺寸为20nm左右,材料存在部分团聚现象。将材料煅烧不同温度,制成旁热式元件,测试其对40ppm H2S气体的灵敏度,普遍存在灵敏度不高的问题,需要进一步掺杂提升敏感性能。材料在500℃和600℃煅烧下灵敏度较大,需要进一步实验来确定最有利于实验的烧结温度。2.制备不同浓度Pt掺杂的In2O3复合材料,分别煅烧500℃和600℃,XRD表征结果显示掺杂后的In2O3晶体结构仍然是立方晶型。气敏性能显示600℃煅烧温度下6mol%Pt掺杂In2O3气敏元件对H2S的灵敏度最好,最佳工作温度为140℃,掺杂后元件的灵敏度是纯材料元件的17倍,表明Pt的掺杂有效的提升了气敏元件对H2S的灵敏度。在140℃时,对其气敏性能做进一步测试,响应时间约为11秒,恢复时间约为21秒,具有良好的选择性,稳定性有一定的浮动。综上,响应恢复时间和稳定性有待进一步提高。3.在6mol%Pt-In2O3材料的基础上,对材料进行了不同比例的碳纳米管处理,在600℃下煅烧2小时,表征结果表明,经过600℃的煅烧,材料中掺杂的碳纳米管被烧掉,留下很多空隙。制备气敏元件,测试结果表明1wt%C,6mol%Pt-In2O3气敏元件在140℃下对H2S的灵敏度最好,其响应时间约为5秒,恢复时间约为14秒,元件具有更好的选择性,稳定性有一定的提升。综上,C处理使得气敏元件在各方面性能上都有所提高。
摘要第4-6页
Abstract第6-8页
第一章 前言第12-31页
    1.1 气体传感器第12-19页
        1.1.1 气体传感器的定义及分类第13-15页
        1.1.2 气体传感器的作用及地位第15-16页
        1.1.3 气体传感器的发展现状第16-17页
        1.1.4 气体传感器存在的问题及发展趋势第17-19页
    1.2 半导体气体传感器第19-24页
        1.2.1 半导体气体传感器的分类第19-21页
        1.2.2 电阻式半导体气体传感器的主要技术指标第21-22页
        1.2.3 半导体气体传感器的发展及应用第22-23页
        1.2.4 半导体气敏元件的敏感机理第23-24页
    1.3 纳米材料概述第24-29页
        1.3.1 纳米材料的特点第24-25页
        1.3.2 纳米材料的合成方法第25-28页
        1.3.3 纳米材料在气体传感器领域中的应用第28-29页
    1.4 本论文的选题依据及研究内容第29-31页
第二章 In_2O_3纳米材料的制备及 H_2S 气敏性能测试第31-38页
    2.1 In_2O_3纳米材料的制备第31-35页
        2.1.1 主要实验仪器及化学试剂第31-32页
        2.1.2 In_2O_3纳米材料的合成过程第32页
        2.1.3 In_2O_3纳米材料的表征第32-35页
    2.2 气敏元件的制备工艺第35-36页
    2.3 对 H_2S 的气敏性能测试第36-37页
    2.4 本章小结第37-38页
第三章 Pt-In_2O_3复合材料的制备及 H_2S 气敏性能测试第38-51页
    3.1 Pt-In_2O_3复合材料的制备第38-46页
        3.1.1 主要实验仪器及化学试剂第38-39页
        3.1.2 Pt-In_2O_3复合材料的合成过程第39页
        3.1.3 Pt-In_2O_3复合材料的表征第39-46页
    3.2 对 H_2S 的气敏性能测试第46-50页
    3.3 本章小结第50-51页
第四章 C 处理 Pt-In_2O_3复合材料的制备及 H_2S 气敏性能测试第51-61页
    4.1 碳纳米管及其应用第51-52页
    4.2 C 处理 Pt-In_2O_3复合材料的制备第52-56页
        4.2.1 主要实验仪器及化学试剂第52-53页
        4.2.2 C 处理 Pt-In_2O_3复合材料的合成过程第53页
        4.2.3 C 处理 Pt-In_2O_3复合材料的表征第53-56页
    4.3 对 H_2S 的气敏性能测试第56-60页
    4.4 本章小结第60-61页
第五章 In_2O_3气敏机理的探讨第61-63页
    5.1 In_2O_3气敏机理第61-62页
    5.2 Pt 掺杂 In_2O_3材料的气敏机理第62-63页
结论第63-64页
参考文献第64-74页
致谢第74页
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