改性Co-LDHs复合材料的制备及NO2气敏性能研究

作     者：罗水廷 

作者单位：黑龙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李丽;史克英

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 08[工学] 070602[理学-大气物理学与大气环境] 0706[理学-大气科学] 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：Co-LDHs CTAB Ti3C2Tx MXene NO2 气体传感器 

摘      要：针对传统半导体传感器(MOS)操作温度高、室温下对气体的响应灵敏度低以及长期使用会导致器件损坏甚至烧结等问题,本文采用简单的水热合成法首先制备出单金属钴层状氢氧化物(Co-LDHs)纳米材料,进一步通过添加表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB),以及TiCT MXene制备了改性Co-LDHs复合材料,利用XRD、SEM、TEM、FT-IR、BET和XPS等测试手段对材料进行了形貌结构分析,室温下测试了材料对NO的气敏性能,并分析合成材料形貌与性能的构效关系,探讨了气敏传感机理。首先,以六水合硝酸钴和2-甲基咪唑(MIm)为原料,MIm作为功能剂,通过调变功能剂MIm用量,制备出单金属Co-LDHs纳米材料。MIm添加量为28.13 mmol的样品CM-2呈现出较具规则的层次片状形貌结构,添加量较少的CM-1样品呈现出紧密堆积的片状结构,添加量较多的CM-3呈现出破碎的纳米片结构。三个样品中CM-2比表面积最大为48.1 m·g,表现出优于CM-1和CM-3的NO传感性能,对100 ppm NO的响应为9.08,响应时间为3.97 s,最低检出限低至0.1 ppm。进一步,以表面活性剂CTAB为模板剂,可控制备出纳米片组装的三维介孔Co-LDHs纳米材料。与单金属Co-LDHs相比,改性Co-LDHs纳米材料对NO的气敏性能更优异。其中,CCM-2纳米片厚度为3.8-5.0 nm,比表面积更大(91.4 m·g),在(003)晶面表现出更好的结晶度,室温下气敏性能最佳,对100 ppm NO的气敏响应比未添加表面活性剂的CM-2气敏传感材料高约2.6倍,响应灵敏度为23.7,响应时间低于2 s,检出限低至0.05 ppm,且明显优于CCM-1和CCM-3样品。CCM-2优异的传感性能归因于CTAB介导下超薄纳米片组装的三维介孔结构以及材料表面丰富的化学吸附氧的存在。最后,选择导电性能高的二维材料TiCT MXene为基底,与CTAB改性Co-LDHs材料复合,制备出具有三维分级结构的CCMX复合材料。SEM、TEM和BET等测试表明,TiCT MXene添加量为18 mg的CCMX-2样品气敏性能更佳,对100 ppm NO的气敏响应为29.36,是单金属Co-LDHs最好样品CM-2的4.33倍,CTAB改性最好样品CCM-2的1.24倍,响应时间为1.31 s,检出限低至0.01 ppm。原因是CCMX复合材料具有更大的比表面积(127.2 m·g),独特的半导体-金属异质结构和丰富的活性位点,协同MXene界面高的电子传输能力,不仅提高了气体的吸附能力,而且加快了气体的传输速度,这些都有利于提高材料的气敏性能。本文采用简单的一步水热合成法,通过表面活性剂以及二维板层材料的修饰,制备了具有三维分级结构的改性Co-LDHs复合材料。由于合成材料表面具有更多的活性位点和更多的空穴积累层,电导率得到有效提升。因此,改性材料在室温下对NO表现出更高的气敏传感特性。