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氧化铟复合纳米材料的制备及其气敏性能研究

氧化铟复合纳米材料的制备及其气敏性能研究

作     者:聂睿 

作者单位:北京化工大学 

学位级别:硕士

导师姓名:顾福博

授予年度:2015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:氧化铟 石墨烯 三维有序大孔结构  气体传感器 

摘      要:氧化铟(In203)作为一种优异的n型半导体材料,广泛的应用于气体传感器等领域。为提升材料性能,通常采用调控材料结构、组成及形貌的方法。本论文一方面将氧化铟与石墨烯复合,制备出具有室温响应的复合气敏材料;另一方面采用模板法,制备出了金负载的三维有序大孔结构(3DOM)氧化铟,并研究了其对乙醇的气敏性能。主要工作如下:1.氧化铟-还原石墨烯(In2O3-rGO)复合纳米材料的制备及其在室温下对N02气敏性能的研究。首先,通过改进的Hummers的方法制备氧化石墨烯,进而通过水热法使氧化铟纳米粒子生长在氧化石墨烯上,最后还原得到In2O3-rGO复合材料,并在室温下测试其对NO2的气敏性能。采用透射(TEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)、X射线衍射(XRD)、红外(FTIR)等手段对In2O3-rGO进行了详细的表征。所制备的氧化石墨烯具有单层结构,复合材料表面氧化铟粒子分散均匀,粒径约为10 nm。经水热及还原处理后,氧化石墨烯的还原程度增加。对不同石墨烯掺杂量的复合材料进行气敏测试,当石墨烯掺杂量为0.72%时,气敏性能最佳。在室温条件下,其对30 ppm NO2气体灵敏度达8.25,对其响应时间及恢复时间分别为4min和24 min,且对NO2气体具有优异的选择性。最后分析了In2O3-rGO对NO2的气敏响应机理。2.金负载三维有序大孔结构氧化铟(Au-3DOM In2O3)的制备及其对乙醇气体的气敏性能研究。以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)球为模板,In(NO3)3为铟源,制备出3DOM结构的In203。再将3DOM In2O3与HAuCl4混合,通过还原法制备出Au-3DOM In2O3。利用透射电镜(TEM),扫描电镜(SEM)等观察到负载后的复合材料仍具有较为完整的骨架结构,负载的金纳米尺寸较为均一,约为5nm左右。通过EDS, ICP等表征手段对金纳米颗粒的负载量进行了分析,实际负载0.39%。小尺寸的金纳米颗粒与三维有序大孔结构的氧化铟结合,有效提升了对乙醇气体的气敏性能。在最佳工作温度230℃时,Au-3DOM In2O3对100ppm乙醇气体的气敏响应值提升到205,且响应(15s)/恢复(21s)时间均较短,选择性较好。通过TPSR研究了Au-3DOM In2O3对乙醇的气敏响应机理。

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