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静电纺丝法制备的co3o4及其复合材料对甲醛的气敏性能研究

静电纺丝法制备的Co3O4及其复合材料对甲醛的气敏性能研究

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作者：颜进硕广西大学

学位级别：硕士

甲醛是一种对人体有较大危害的无色气体,长时间暴露在甲醛浓度较高的环境里会对人体造成巨大伤害。研发性能优秀的甲醛传感器对保护人体健康具有重要意义。然而目前研究报导的许多甲醛气体传感器,存在着对低浓度的甲醛灵敏度差,响应稳... 详细信息

甲醛是一种对人体有较大危害的无色气体,长时间暴露在甲醛浓度较高的环境里会对人体造成巨大伤害。研发性能优秀的甲醛传感器对保护人体健康具有重要意义。然而目前研究报导的许多甲醛气体传感器,存在着对低浓度的甲醛灵敏度差,响应稳定性差等问题。本文通过静电纺丝法制备了几种适用于低浓度甲醛检测的coo纤维材料,并研究了不同形貌,不同煅烧温度的纤维材料对甲醛气体的响应特性的差异。在此基础上,制备了具有混合结构p-n异质结的Feo/coo纤维和具有核壳结构p-n异质结的coo-Feo纤维,使材料对低浓度甲醛的气敏性能得到了进一步提升,并且研究了不同构型的p-n异质结对材料气敏性能提高的影响。研究内容如下:1、采用单轴静电纺丝法纺丝,并将纺丝在450℃条件下煅烧制备了coo实心纤维材料450-coo-SFs,对材料进行表征,比表面积为15.9m/g。材料在160℃的最佳工作温度下对1 ppm甲醛的响应达到了1.71。采用同轴静电纺丝法纺丝,制备了coo中空纤维材料450-coo-HFs,对其进行表征,材料的比表面积为36.2 m/g,禁带宽度为1.78 e V。材料在160℃的最佳工作温度下对1 ppm甲醛的响应达到了3.64,响应时间为25 s。450-coo-HFs较450-coo-SFs有更好气敏响应性能可以归因于中空纤维有更大的比表面积。2、采用同轴静电纺丝法纺丝,探究不同煅烧温度(350℃,400℃,450℃,500℃,550℃)对材料性能的影响,实验结果表明,450℃下煅烧得到的中空纤维材料具有最好的气敏响应特性,其原因是当煅烧温度达到450℃时,450-coo-HFs材料表面聚合物分解完全,且相比于500-coo-HFs和550-coo-HFs,450-coo-HFs材料的晶粒尺寸更小,材料的比表面积更大。3、为了提高coo中空纤维材料对甲醛的响应能力,引入了Fe元素进行改性,制备了不同铁钴原子比的Feo/coo中空纤维材料,并测试了材料对甲醛的气敏响应性能。测试结果表明,原子比Fe:co=5:100的5Fe co-HFs具有最好的气敏响应性能,在160℃下对1ppm甲醛的响应时间为12 s,灵敏度响应值达到了10.2。对材料进行表征,材料的比表面积为56.7 m/g,禁带宽度为1.55 e V。5Fe co-HFs相比450-coo-HFs有更好气敏性能的原因可以归因于其比表面积的增大以及p-n异质结的形成。。4、为了探究不同p-n异质结构型对材料气敏性能的影响,以5Fe co-HFs当作参照,引入三层同轴静电纺丝方式,利用含co原料和含Fe原料(原子比Fe:co=5:100)制备具有核壳结构的coo-Feo纤维材料,并测试了其对甲醛的气敏响应性能。测试结果表明,核壳结构的p-n异质结能更进一步提高材料的气敏性能,coo-Feo-HFs在160℃下对1 ppm甲醛的响应时间为4 s,灵敏度响应值达到了31.2。对材料进行表征,材料的比表面积为62.1 m/g,禁带宽度为1.50 e V。核壳结构p-n异质结的coo-Feo纤维材料较混合结构p-n异质结的5Fe co-HFs有更好的气敏性能主要可以归因于核壳结构的p-n异质结载流子迁移效率更高。

关键词：甲醛气体传感器静电纺丝 co3o4中空纤维 p-n异质结核壳结构气敏机理

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