原位漫反射红外光谱技术在γ-Fe2O3基气敏材料气固界面反应中的应用研究

作     者：孔令聪 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄开金

授予年度：2013年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070302[理学-分析化学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 

主      题：原位漫反射红外光谱 γ-Fe2O3 气敏性能 气固界面反应 甲醛 丙酮 Pd掺杂 Nb2O5 

摘      要：金属氧化物半导体的气敏特性，是在一定温度下半导体化合物跟所接触的气体(氧化性或还原性)发生反应而导致电阻值发生变化的现象。漫反射傅里叶变换红外光谱法(DRIFTS)是近年来发展起来的一项原位(in situ)谱学检测技术，通过对催化剂上现场反应吸附态的跟踪表征以获得一些有价值的表面反应信息，进而对反应机理进行剖析，已在催化表征中日益受到重视。基于此，本文通过对金属氧化物半导体气敏传感器进行改性(掺杂贵金属和制备异质结材料)，提高对甲醛和丙酮等有毒气体的敏感性能，并运用DRIFTS手段探讨甲醛和丙酮等有毒气体在纳米γ-FeO基敏感材料表面的吸附与反应情况。 (1)利用丝网印刷技术制备纯纳米γ-FeO气敏元件，通过XRD和FESEM表征分析发现：γ-FeO薄膜是由尺寸均匀的球状颗粒组成的多孔结构;晶体结构为立方相。测试其对100ppm甲醛和丙酮的气敏性能，利用DRIFTS研究了不同温度条件下，甲醛和丙酮气体在γ-FeO薄膜表面的吸附与反应过程，研究表明：甲醛在其表面反应的主要物种为吸附态甲醛、二氧亚甲基和甲酸盐，另外还有少量的聚甲醛;丙酮在其表面反应的主要物种为吸附态丙酮、醋酸盐、甲氧基和碳酸盐类。由此推断出甲醛和丙酮在γ-FeO薄膜表面的反应过程，并对气敏性能及气固界面反应机理进行解释。 (2)利用丝网印刷和滴注相结合的技术制备Pd/γ-FeO气敏元件，测试其对100ppm甲醛和丙酮的气敏性能，利用DRIFTS研究了不同温度条件下，甲醛和丙酮气体在Pd/γ-FeO薄膜表面的吸附与反应过程。研究表明：掺杂贵金属Pd提高了对甲醛的气敏性能。测试气体在掺杂金属Pd的表面发生反应，这些掺杂Pd由于不同的亲电性改变了静电势，继而改变了表面势垒高度，这相应地改变了半导体内部的电阻;同时，PdCl2分散在氧化铁颗粒表面，抑制了氧化铁颗粒长大，使其具有大的比表面积，这样气体分子更容易扩散进入气敏膜内，有利于气体分子与膜层材料之间的物质传输。 (3)利用丝网印刷技术制备NbO/γ-FeO气敏元件，测试其对100ppm甲醛和丙酮的气敏性能，利用DRIFTS研究了不同温度条件下，甲醛和丙酮气体在NbO/γ-FeO薄膜表面的吸附与反应过程。研究表明：在纳米γ-FeO气敏材料中添加一定量的NbO形成异质结构，提高了纯γ-FeO气敏材料对甲醛和丙酮气体的气敏性能。一方面，NbO的加入抑制了纳米γ-FeO颗粒长大，形成大的比表面积，而大的比表面积有利于气敏性能;另一方面，NbO增加了γ-FeO的导电性，这有利于气敏材料与气体之间的电子转移。