分级多孔二氧化锡的制备及其气敏性能研究

作     者：周成武 

作者单位：扬州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张明

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 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）] 

主      题：SnO2气敏材料 分级多孔结构 PS微球 自组装 稀土掺杂 

摘      要：半导体金属氧化物气敏材料具有结构简单、成本低廉、响应回复快、灵敏度高、工艺成熟等优点。目前已在环境污染治理,工业气体的监控、可燃性气体、毒性气体的检漏报警等领域得到了广泛的应用。现阶段研究表明分级多孔结构是构建高灵敏度和快速响应的金属氧化物气敏材料的理想结构。然而目前对于分级多孔结构气敏材料的研究依然面对众多难点和挑战,如难以合成、结构简单、种类单一等。这些难点和挑战极大的制约了分级多孔结构气敏材料的开发和应用。鉴于此,本论文拟从PS纳米微球模板出发,通过“引入前驱物—PS微球自组装—热处理去模板的方法,探索合成分级多孔Sn02材料的方法。同时对分级多孔Sn02进行稀土掺杂,分析了分级多孔结构及其组分优化(稀土掺杂)对气敏材料性能的影响,为分级多孔气敏材料研究和开发提供了思路和依据。本论文研究内容如下：(1)以PS微球为模板,通过胶凝胶前驱体浸渍后自组装(重力沉积)之后热处理去除模板的方法,成功制备开放式分级多孔结构的Sn02材料,对其进行了XRD SEM等仪器的分析和表征,同时探索了前驱液浓度、烧结温度对分级多孔结构的影响。最终确定了合成开放式分级多孔结构Sn02的最佳条件。(2)将制备的分级多孔Sn02材料制作成气敏元件,利用气敏测试系统对其进行了气敏性能分析。系统了研究其对乙醇、丙酮、甲醛、甲醇、异丙醇、苯、甲苯等多种可燃性气体、有毒气体的气体敏感特性。研究结果表明,由于其开放的三维多孔结构,表面开放式结构有利于气体分子的进入和传输,内部分级多孔构造能够提供大量的反应表面积。开放式分级多孔结构有效的提高了Sn02材料的气敏性能。以对200ppm的乙醇气敏测试为例,开放式分级多孔Sn02材料的最佳工作温度从370℃降低为310℃,气敏响应值是参比样的3倍左右,响应恢复时间缩短了4-6s。(3)通过增加稀土元素前驱液浸渍的步骤对分级多孔结构Sn02进行了稀土元素(Ce、 La)掺杂,研究了掺杂前后气敏性能的变化,发现：稀土掺杂显著的提高了Sn02材料的气敏性能,提升效果随掺杂元素、掺杂浓度、气体种类、工作温度等不同而不同具体表现为：1)Ce/Sn原子摩尔比为3%的前驱液对分级多孔Sn02的掺杂效果最好,其对丙酮的灵敏度有了显著提高,对500ppm丙酮响应值在53.6,变为原来的2倍左右。同时Ce的掺杂也有利于对乙醇、甲醇、甲醛等气体的气敏响应提升。对比掺杂前后最佳工作温度的变化发现Ce的掺杂会导致最佳工作温度有升高或升高的趋势。2)La/Sn原子摩尔比为5%的前驱液掺杂效果较好,其对乙醇和甲醇的气敏响应都得到了明显提升,对500ppm甲醇响应值由46.7提升为82.3,提高了1倍左右。同时结果表明La的掺杂也有利于最佳工作温度的降低和响应恢复时间的缩短。