基于静电纺丝法制备的金属半导体氧化物CO气体传感器的研究

作     者：韩文讲 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙彦峰

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 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] 

主      题：CO气体传感器 静电纺丝 贵金属修饰 半导体金属氧化物 

摘      要：CO是一种无色、无味、可燃、易爆、有毒且不易检测到的气体。CO可以快速和人血液中的血红蛋白结合,严重干扰氧气向人体组织的运输。长期生活在一定浓度CO环境中的心脑血管病人,会造成血液中类胆固醇和脂质在血管中沉积,使病情加重。但是,由于CO无色无味难以被人察觉的特征,CO中毒事故时有发生,严重时还可引起爆炸。因此,开发高响应、低检测下限的高性能CO气体传感器至关重要。然而,传统金属氧化物半导体传感器在检测CO气体时存在诸多弊端,尤其是CO气体结构比较稳定,导致了CO传感器灵敏度低和检测下限高,难以满足实际检测的需求。针对这一难题,本文旨在通过改变传统传感器的驱动方式,采用双脉冲驱动检测方法取代固定的工作温度,解决传感器检测下限低及响应恢复速度慢等问题;进一步,采用双金属修饰的方法,结合贵金属对CO气体的吸附能力及催化能力,提高传感器的灵敏度的同时降低H对传感器的干扰,具体工作内容如下:首先,开发了一种基于双脉冲驱动加热方式Pd掺杂Sn O静电纺丝材料的CO气体传感器。开发的双脉冲驱动传感器主要组成部分为上位机、直流电源、电阻检测表和涂有敏感材料的六角陶瓷管器件。与传统的采用固定工作温度的气体传感器不同,双脉冲驱动通过高温预热-低温休息-中温测试的方式,使敏感材料高温预热时在材料的表面生成更多的化学活性高的吸附氧离子,驱除材料表面所吸附的杂质气体,刷新材料的表面,使材料在中温测试时具有较高的空气电阻;而在气氛中时,高温预热同样可以刷新材料表面,使器件重置,低温休息时保证目标气体分子充分渗入到敏感材料内部;中温工作时使更多的目标气体与敏感材料反应,使敏感材料在目标气体的电阻值更低,从而实现较低的检测下限与较高的响应值。研究结果表明,制作的高性能双脉冲驱动加热方式的CO气体传感器对100 ppm的CO的响应约为15.6,远高于采用传统的驱动方式的响应(3.3),对CO的检测下限也由5 ppm降低为0.2 ppm。另外,由于高温预热有利于器件表面的刷新,传感器还表现出了良好的稳定性。这说明采用新的驱动方式可以的提升传感器的灵敏度,同时检测对目标气体的检测下限。脉冲驱动虽然可以提高CO气体的灵敏度并降低检测下限,但作为干扰气体的H仍然对器件有很严重的干扰,其灵敏度甚至大于目标气体CO。基于此,进一步采用双金属修饰的方法,充分利用Pd对目标气体的催化能力,Au对目标气体的吸附能力,改善传感器件的选择性。实验结果表明,2 at%Au和2at%Pd共修饰的InO纳米纤维在180℃下对100 ppm CO的响应最高(21.7),响应值约是纯InO纳米纤维的8.5倍。Pd、Au共掺杂后对CO的检测限低至200 ppb,明显低于纯InO纳米纤维(6 ppm)。并且,传感器的选择性得到了改善,对CO气体的灵敏度明显高于H的灵敏度。以上结论表明分别采用具有催化能力与选择性吸附能力强的物质对敏感材料进行改性,不但可以有效提高传感器件的灵敏度,还可以改善器件的选择性。