TiO2基纳米纤维的制备及其气敏性能研究

作     者：马双凤 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王新昌

授予年度：2014年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：TiO2纳米纤维 静电纺丝技术 掺杂 表面修饰 气敏性能 

摘      要：本论文主要利用静电纺丝技术制备纯TiO2和掺杂TiO2纳米纤维，并探讨内部掺杂和表面修饰对其气敏性能的影响。具体包括以下的研究内容： 1.采用静电纺丝技术制备出了纯的和掺杂的TiO2纳米纤维，较系统地探讨了静电纺丝技术制备中各种工艺参数的影响，具体包括：PVP的含量、钛酸四丁酯的含量、电压、烧结温度等，并获得了最佳制备参数。制得TiO2纳米纤维的表面粗糙，结晶良好。使用TiO2纳米纤维制作的气敏元件对乙醇蒸汽和丙酮蒸汽都有响应，TiO2纳米纤维的气敏机理可以用表面电荷转移模型(表面电荷耗尽层模型)进行解释。 2.研究了不同掺杂元素和掺杂量对TiO2纳米纤维的形貌、结构和气敏性能的影响，并对掺杂导致气敏性能提高的可能的原因做了解释。从SEM图像中，我们发现掺杂的和纯的TiO2纳米纤维基本上没有什么区别，均为连续的纳米纤维，表面粗糙。由于参杂量比较少，从XRD图像中没有发现杂质元素或者杂质元素氧化物的衍射峰。掺杂对TiO2纳米纤维气敏性能的影响：1at.%Ni掺杂使TiO2纳米纤维对低浓度H2S气体表现出高的灵敏度和好的选择性，同时降低了工作温度;3at.%Sn掺杂使TiO2纳米纤维对甲苯蒸汽显示了高的灵敏度和好的选择性，降低了工作温度，较快的响应恢复时间;1at.%Ag掺杂使TiO2纳米纤维对H2S气体具有好的气敏特性;1at.%Co掺杂使TiO2纳米纤维对甲烷气体呈现出较高的灵敏度。 3.利用光催化还原法在TiO2纳米纤维和TN（TN为1at.%Ni掺杂TiO2纳米纤维的缩写）的表面合成Ag表面修饰TiO2纳米纤维和Ag表面修饰TN纳米纤维，该结构的形成提高了纳米纤维的气敏性能。与纯的和Ag掺杂的TiO2纳米纤维相比较，Ag表面修饰TiO2纳米纤维提高了TiO2纳米纤维对H2S气体的灵敏度和选择性。通过对紫外光照时间的调节，可以实现Ag表面修饰TN纳米纤维对H2S气体气敏性能的优化。Ag表面修饰TN纳米纤维大大改善了纳米纤维对H2S气体的灵敏度，同时增强了纳米纤维对H2S气体的选择性，还降低了气敏元件的工作温度。我们用化学敏感机理来解释Ag表面修饰TiO2纳米纤维提高TiO2纳米纤维气敏性能的机理。一方面Ag纳米颗粒作为氧气分子的吸附中心，在一定程度上增加了吸附氧的浓度，提高了材料的灵敏度;另一方面Ag纳米颗粒不仅有利于纳米纤维对某种气体分子的吸附，还能够促进该气体分子与吸附氧的反应。