钙钛矿型复合金属氧化物纳米材料的制备及其气敏特性的研究

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在今天这个万物互联且发展飞速的时代,虽然科技为人们的衣食住行所带来的便利有目共睹,但与之相伴而生的大气污染问题也同样不可小觑。目前空气污染物绝大多数来自化工生产以及汽车尾气等,还有小部分来自室内装修所产生的有机挥发性化合物气体。有机挥发性化合物(VOCs)气体时刻围绕着我们的生活,严重影响着人们的身体健康。为了及时且高效的防控有机挥发性气体的泄漏,金属氧化物半导体型气体传感器凭借其简单的制作工艺,出色的气体敏感性能以及低廉的成本需求成为了科研工作者们研究的热点,并在日常生活中得以广泛应用。然而,纵使金属氧化物半导体气体传感器具有诸多优良的特性,但在选择性、工作温度和响应恢复速度等方面仍是至今需要改良的重点。本文针对以上三个问题,采用成本低廉的钙钛矿型复合金属氧化物为敏感材料,制备了气体传感器对其气敏性能进行检测,以下为本论文的主要研究工作:(1)采用水浴法和沉淀法合成了多孔的Ag修饰的ZnSnO3中空纳米立方体。通过表征发现ZnSnO3为无定形晶体结构,因此该材料不仅具有大的比表面积,其表面还有着大量活泼的悬空键,Ag纳米粒子的均匀修饰则进一步增多了其表面的催化活性位。为了探究其气敏性能,将所制备的材料制作成气体传感器进行性能测试。通过对比纯ZnSnO3和不同含量Ag修饰的ZnSnO3的气敏性能可以发现,适量的Ag修饰可以有效的改善纯ZnSnO3的气敏特性。特别是基于0.6 at%Ag修饰的ZnSnO3传感器对100 ppm的丙酮气体的响应高达31.62,检测下限为1 ppm,响应/恢复时间是(2 s/3 s)。除此之外,该传感器还对丙酮气体表现出突出的选择性。由于Ag纳米粒子能够有效促进氧气的解离从而增加材料表面吸附氧的数量,因此适量引入Ag粒子将是提高纯材料气敏特性的有效手段。(2)利用水热法和沉淀法制备了不同含量的PrFeO3修饰的α-Fe2O3核壳纳米八面体,并制备了相应的气体传感器同时对其气敏性能进行测试。由于该材料具有良好的气体渗透性和大的比表面积,能够为氧气和目标气体提供更多的吸附位点,因此PrFeO3/α-Fe2O3复合材料表现出优秀的气敏性能。与纯α-Fe2O3相比,PrFeO3/α-Fe2O3复合材料具有更低的最佳工作温度和对乙酸乙酯更好的选择性。此外,基于PrFeO3/α-Fe2O3复合材料的传感器对100 ppm的乙酸乙酯的响应高达22.85,响应恢复时间为8 s和9 s。PrFeO3的引入增加了α-Fe2O3表面碱性位点,提高了α-Fe2O3表面的氧离子浓度,从而进一步提高了材料对乙酸乙酯的响应。此外,通过PrFeO3与α-Fe2O3结合形成p-n异质结构来扩大传感器电阻信号的变化范围也能够明显提升其气敏性能。(3)通过简单的水热法和沉淀法制备了CdS量子点修饰的CdSnO3多孔纳米立方体,并将其制作成气体传感器以探究材料的气敏特性。CdSnO3是无定形晶体结构,表面具有活泼的悬空键。CdS量子点具有超大的表面积体积比,通过CdS量子点进行表面修饰,显著的扩大了CdSnO3的比表面积,增多了材料表面的吸附位点。基于CdS修饰的CdSnO3多孔纳米立方体的传感器的最佳工作温度为138°C,对100 ppm异丙醇气体的响应值达到20.12,响应时间和恢复时间均为10 s。此外,CdS修饰的CdSnO3多孔纳米立方体对异丙醇的检测下限为1 ppm,而基于纯CdSnO3的传感器检测下限为5 ppm。CdS量子点的引入可以有效扩大纯材料的比表面积,使材料表面的吸附位点增多进而提高其气敏响应,因此,利用CdS量子点修饰纯材料也将成为提高气体传感器性能的候选方法。采用水热法和水浴法制备了三种不同的钙钛矿型金属氧化物,并制备了气体传感器对其气敏性能进行探测。结果表明,基于钙钛矿型金属氧化物的气体传感器均具有较快的响应恢复速度和较低的工作温度。此外,我们分别引入了贵金属纳米粒子、金属氧化物和量子点材料对上述材料进行表面修饰。在经过适当的表面修饰后,气体传感器的性能均有显著提升。
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