氧化铟基复合材料的制备及其甲醇气敏性能研究

作     者：刘嘉宁 

作者单位：西安工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周春生

授予年度：2024年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：In2O3 甲醇蒸气 气敏传感器 溶剂热法 

摘      要：随着现代科技的迅速发展,新能源汽车（主要是燃料电池汽车）由于以氢气或甲醇为原料,完全摆脱了对化石能源的依赖,具有广阔的应用前景。其中,甲醇作为一种常见的有害挥发性有机化合物,一旦泄露容易引发爆炸。因此,及时且准确的探测甲醇是非常有必要的。In2O3作为一种商业上颇具潜力的半导体材料,以其高电子迁移率、宽阔的禁带宽度以及卓越的化学稳定性而备受瞩目。它在检测还原性和氧化性气体方面都展现出了良好的应用前景。然而,在针对甲醇气体的检测中,In2O3也面临一些局限性,例如其工作温度过高,导致能耗较大,以及响应值相对偏低,可能影响检测的准确性和可靠性。本文主要采用一步水热法和溶剂热法制备了In2O3纳米材料、Ag掺杂In2O3纳米材料以及Pr-Ag共掺杂In2O3纳米材料,具体内容如下: （1）采用水热法制备出立方多孔状In2O3纳米材料,通过调控NH4F的含量（1.2 g、1.8 g、2.4 g）制备出了三组不同的多孔状In2O3纳米材料。结果表明,当NH4F的含量为1.8 g时,具备立方多孔形貌的样品拥有较大的比表面积和较小的孔径,有利于气体的传输与吸附。该传感器在温度为225℃的条件下,对50 ppm甲醇显示出的响应值为3.7,其响应与恢复时间分别为9.8 s和5.6 s;为了提高气敏性能,在增加紫外光照射下,最佳工作温度从225℃降低到125℃,对50 ppm甲醇的响应值从3.7提高到43.9。 （2）为了改善纯In2O3气体传感器响应值低的问题,采用溶剂热法制备Ag掺杂In2O3纳米材料,通过改变反应时间（8 h、10 h、12 h）成功制备出三组不同的Ag掺杂In2O3纳米材料。结果表明,反应时间为10 h下所得样品呈现出独特的空心海胆状结构,这一结构特点富含边缘位点,为活性位点的形成创造了有利条件。同时,它也为气体传输通道的开放提供了广阔空间。相比于纯In2O3气体传感器,Ag掺杂In2O3气体传感器的最佳工作温度降至200℃,其在200℃下对于50 ppm甲醇的响应值为从3.7提高到11,响应恢复时间缩短到2.4/5 s;在增加紫外光照射下,在100℃时对50 ppm甲醇的响应值为80.3。 （3）为了降低Ag掺杂In2O3气体传感器的工作温度,进一步提高响应值,采用溶剂热法制备Pr-Ag共掺杂In2O3纳米材料,通过改变Pr（NO3）3的掺杂量（0.006 g、0.011 g、0.022 g）制备出了三组不同比例的纳米材料。Pr3+的掺入为材料引入了新的杂质能级,为气体分子的反应过程提供吸附位点和扩散途径。结果表明,当掺杂量为0.011 g时所制备的样品显示为空心微球形貌,在其表面存在的孔洞很大从而使气敏性能得到增强。与纯In2O3相比,Pr-Ag共掺杂In2O3气体传感器工作温度从225℃降低为175℃,对50 ppm甲醇的响应值达44.7。在增加紫外光照射下,在75℃时对50 ppm甲醇的响应值为293.2。