两种纳米结构SnO2的气体敏感特性研究

作     者：赵荣俊 

作者单位：云南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王毓德

授予年度：2019年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 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）] 0802[工学-机械工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：纳米结构SnO2 生物模板 纳米纤维 气体敏感材料 气体传感器 气敏性能 

摘      要：二氧化锡(SnO2)是一种典型的n型宽禁带半导体,禁带宽度3.6 eV。作为一种多功能材料,SnO2由于其优越的物理和化学性能、低成本以及易制备,是气体传感器敏感材料的首选。Sn02作为气体敏感材料尚存在灵敏度低、响应-恢复时间长、选择性和稳定性差以及工作温度高等不足。纳米结构的SnO2具有均匀可控的形貌、小尺寸、大比表面积等优点,其作为气体传感器的敏感材料,材料表面具有更多的吸附活性位点,可极大的改善和提高气体传感器的性能。本论文主要研究内容是针对两种不同纳米结构Sn02材料,研究其气体敏感性能。采用简单的水热法和热处理制备树莓状SnO2空心纳米结构材料、一维Sn02纳米纤维及其不同比例Pd功能化和Cd掺杂Sn02纳米纤维材料,并利用WS-30A气敏测试系统对合成的不同纳米结构材料进行气敏性能测试,探讨其气体敏感机理。主要研究内容和结果如下:(1)树莓状SnO2空心纳米结构材料的制备、表征及其对正丁醇气敏性能研究采用简单的水热法和热处理制备出了树莓状Sn02空心纳米结构材料。利用X射线衍射仪(XRD)、场发射电子扫描显微镜(FESEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)和氮气吸附-脱附等温线分别分析了样品的晶体结构、形貌、组分、化学表面态及比表面积等,并探讨了其形成机理。将树莓状SnO2空心纳米结构材料作为敏感材料制作成气体传感器,测试了其对正丁醇气体的气敏性能。结果表明,树莓状SnO2空心纳米结构材料对正丁醇有较高的响应,在最佳工作温度160℃下对100 ppm正丁醇响应值为303.49。该敏感材料还具有良好的选择性和稳定性。同时还探讨了树莓状SnO2空心纳米结构材料对正丁醇的敏感机理。(2)一维SnO2纳米纤维材料的制备、表征及其VOCs气敏性能研究利用柚子皮为生物模板,采用水热法和热处理制备出了一维Sn02纳米纤维材料。利用XRD、FESEM、TEM、XPS和氮气吸附-脱附测试对获得的纳米材料进行表征与分析,探讨了一维SnO2纳米纤维结构形成机理。将Sn02纳米纤维作为敏感材料制作成气体传感器,并检测其对VOCs(乙醇、甲醇、甲醛、异丙醇、丙酮和正丁醇)的气敏性能。结果表明,一维SnO2纳米纤维气体传感器在最佳工作温度260℃下对VOCs具有良好的气体响应、较快的响应-恢复时间、重复性和稳定性。进一步探讨了其对VOCs气体的敏感机理。(3)Pd功能化Sn02纳米纤维材料的制备、表征及其丁烷气敏性能研究利用柚子皮为生物模板,采用水热法和热处理制备出了不同比例Pd功能化SnO2纳米纤维。将不同比例Pd功能化SnO2纳米纤维作为敏感材料制作成气体传感器,对丁烷气体敏感性能进行了测试。结果表明,在最佳工作温度260℃,5 mol%Pd功能化SnO2纳米纤维对3000 ppm丁烷的气体响应值达到47.58,并且传感器在该温度下具有较好的选择性、较快的响应-恢复时间和良好的长期稳定性。同时探讨和分析了 Pd功能化Sn02纳米纤维材料对丁烷的敏感机理。(4)Cd掺杂SnO2纳米纤维材料的制备、表征及其甲醛气敏性能研究利用柚子皮为生物模板,采用水热法和热处理制备出了不同比例Cd掺杂S[n02纳米纤维。将不同比例Cd掺杂SnO2纳米纤维作为敏感材料制作成气体传感器,并进行甲醛气敏性能测试。结果表明,在最佳工作温度160℃,5 mol%Cd掺杂SnO2纳米纤维对100 ppm甲醛的响应值达到51.11,其检测限低至1 ppm。同时,传感器在此温度下对甲醛有较好的选择性、重复性和长期稳定性,并进一步探讨了其对甲醛的敏感机理。