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ZnO基VOCs气体传感器的研制及敏感特性研究

ZnO基VOCs气体传感器的研制及敏感特性研究

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作者：王子燕河北工业大学

学位级别：硕士

随着工业生产、环境监测以及医疗诊断等领域对气体传感器的需求量不断增加,气体传感器的研究已经引起了产业界和学术界的广泛关注。其中,氧化锌(ZnO)基气体传感器因其具有电荷迁移率高、成本低、无毒和化学性质稳定等优点,成为最有前途... 详细信息

随着工业生产、环境监测以及医疗诊断等领域对气体传感器的需求量不断增加,气体传感器的研究已经引起了产业界和学术界的广泛关注。其中,氧化锌(ZnO)基气体传感器因其具有电荷迁移率高、成本低、无毒和化学性质稳定等优点,成为最有前途的气体传感器之一。然而,该类气体传感器在用于检测微量气体时,还存在选择性差、工作温度高、灵敏度低和信号漂移等问题。本课题以ZnO作为基底材料,通过形貌优化、异质结构建、贵金属修饰等方法提升了传感器的气敏性能,并基于吸附与解吸附、异质结、贵金属催化等理论构建了气敏机理模型,并探讨了所制备传感器的气敏机理。首先,本文通过工艺较为简单的共沉淀法制备了三种不同显微形貌的ZnO材料,并对其纳米结构、形貌和传感性能进行了系统的研究,并基于表面吸附模型讨论了气敏机理。测试结果表明,基于核壳状ZnO的气体传感器的性能明显优于花状和椭球状ZnO基气体传感器。基于核壳状ZnO的气体传感器在290℃的最佳工作温度下对甲苯具有良好的选择性,响应值高达56～100 ppm。此外,该气体传感器还具有重复性好、响应速度快、长期稳定性好等优点。其次,利用共沉淀法和浸渍法对花状ZnO进行修饰,成功地合成了三维梭状Au/CoO@ZnO材料。对产物的结构、形貌和表面化学性质进行了表征,并系统分析了Au/CoO@ZnO对丙酮的传感性能。实验结果表明,Au的加入大大提高了对丙酮的响应,降低了气体传感器的工作温度。Au/CoO@ZnO基气体传感器的最佳工作温度为240℃,此时对100 ppm丙酮的响应值为488,响应时间为2 s,检测下限为100 ppb(R/R=2.92)。针对其气体敏感特性进行的气敏机理分析发现,单一贵金属催化异质结构可以显著提高传感器的气敏性能。最后,利用共沉淀法和浸渍法对核壳结构的椭球状ZnO进行修饰,成功地合成了AuPd/CoO/ZnO@ZnO纳米材料。系统的气敏特性测试可发现,双贵金属修饰的AuPd/CoO/ZnO@ZnO气体传感器在250℃的工作温度下,对甲苯的最大响应值为256～100 ppm,工作温度比纯ZnO降低了50℃,AuPd/CoO/ZnO@ZnO基气体传感器的检测下限低至100 ppb。结果说明,双贵金属AuPd颗粒是一种优秀的催化增感剂,协同增敏机制可以提高目标气体在纳米材料表面的吸附和活化。综上所述,纳米微观结构的改进、异质结构的构筑、贵金属颗粒的有效负载和双贵金属的协同增敏作用均能有效降低ZnO基气体传感器的的工作温度、提高其响应值、改善其选择性和长期稳定性,降低VOCs气体传感器的功耗。论文研究成果对丰富ZnO基气体传感器的理论基础研究和推进实际产业化应用提供了可靠依据。

关键词：氧化锌 VOCs 异质结双贵金属催化丙酮气体传感器甲苯气敏性能

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