低維α-Fe-,2-O-,3-納米材料的合成、改性及氣敏性能研究.pdf

1、進入21世紀以來，在能源開發(fā)、石油化工、航空航天等工業(yè)技術的飛速發(fā)展極大推動社會進步的同時，也給人類的安全生產和生態(tài)環(huán)境帶來了隱患。隨著人們環(huán)保意識的逐漸增強，對易燃、易爆、有毒氣體的檢測就顯的愈發(fā)重要?；诎雽w金屬氧化物的電阻犁氣體傳感器具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、制作簡單、使用方便、易集成等優(yōu)點，在工業(yè)監(jiān)控和環(huán)境檢測等領域具有廣泛的應用前景。
　　 納米氧化鐵具有很好的穩(wěn)定性、磁性、氣敏和催化性能，被廣泛應用于顏料、記錄材料、

2、造影、催化和氣敏材料中。其作為氣敏材料在預報、檢測有毒、有害氣體方面有著獨特的效果。α-Fe2O3是一種典型的n型半導體，它的禁帶寬度為2.2 eV。用這種材料制成的氣敏傳感器由于具備結構簡單、穩(wěn)定性好、價格低和制作工藝簡單等優(yōu)點被廣泛研究。到目前為止，盡管科研工作者采取各種方法來提高氧化鐵氣敏傳感器的性能，但是，對于α-Fe2O3氣敏元件來說，仍然在選擇性、長期穩(wěn)定性以及受環(huán)境溫度和濕度影響等方面存在一些不足，而難以在更大范圍內進行推

3、廣和應用。
　　 由于α-Fe2O3氣敏元件的敏感機理為表面控制型，其性能優(yōu)劣與表面微觀結構息息相關。因此，利用表面修飾技術對α-Fe2O3氣敏材料進行改性是推進氣體傳感器向高靈敏度、高選擇性、高穩(wěn)定性方面發(fā)展的暈要手段之一；另外，納米結構材料，因其具有龐大的界面、較高的表面活性，能使傳感器的性能顯著提高。利用納米合成技術改進氣敏材料的性能已成為今后氣敏材料發(fā)展的主導方向之一。本論文瞄準這一研究方向，通過納米材料合成、表面修飾以

4、及納米合成技術在氣體傳感器中的應用完成了以下幾個方面的研究工作：
　　 1.采用多種方法并成功制備出零維納米級α-Fe2O3氣體敏感材料。其中，室溫固相化學反應法是一種污染小、成本低、產率高的納米材料制備方法，該法為制備半導體金屬氧化物氣體傳感器提供了一條工藝簡單、節(jié)約能源的途徑。通過氣敏性能測試，系統(tǒng)地考察了零維納米α-Fe2O3氣敏材料的靈敏度與焙燒溫度、工作溫度、氣體濃度之間的關系。
　　 2.通過化學共沉淀法對零

5、維納米α-Fe2O3氣敏材料進行貴金屬Au、Ag、Pt、Pd的摻雜修飾；首次采用固相合成法制備了Ag/α-Fe2O3氣敏材料。通過XRD、TEM、SPX等表征手段分別在摻雜后的幾種樣品中槍測山貴金屬物種的存在。氣敏測試結果表明，貴金屬摻雜后α-Fe2O3氣敏材料的性能得到顯著提高，主要表現(xiàn)在：提高了純α-Fe2O3氣敏材料的氣體靈敏度，降低了純α-Fe2O3氣敏材料的工作溫度，增大了其對H2S氣體的選擇性，為氣體傳感器在相對低溫下檢測H

6、2S氣體提供了可能。并首次通過XPS分析，探討和提出了α-Fe2O3基氣敏材料的H2S敏感機理。
　　 3.嘗試將一維納米材料合成技術引入到氣體傳感器的設計中，分別利用低溫水解法和水熱法合成了具有較高比表面積的一維多孔α-Fe2O3納米棒氣敏材料，這兩種方法均具有操作方法簡單、成本低、環(huán)境污染小、能耗較低等優(yōu)點。此外，本文中還通過控制反應溫度，采用水熱法制備獲得空心球結構和花狀結構的α-Fe2O3納米材料。通過SEM、TEM、N

7、2吸附－脫附等表征手段考察了樣品的形貌、比表面積和孔分布情況。通過氣敏性能測試可知，這幾種具有特殊形貌的α-Fe2O3納米材料均對乙醇氣體具有良好的靈敏度和選擇性，并對乙醇響應的起始溫度較低。本論文提出的這兩種簡便的納米合成技術為今后開發(fā)新型的酒敏傳感器開拓了新的思路。
　　 4.為解決半導體電阻式氣敏元件的選擇性問題，本論文采用沉積－沉淀法將p型半導體CuO成功負載于n型半導體α-Fe2O3基體材料上，設計并制成新型p-n結半