【摘 要】
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气体传感器可以有效的检测空气中的有毒有害气体,具有体积小,价格低廉,灵敏度高等优点被广泛应用于环境监测,工业生产,医学诊断等领域。它的发展引起了广大研究者的注意,在气
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气体传感器可以有效的检测空气中的有毒有害气体,具有体积小,价格低廉,灵敏度高等优点被广泛应用于环境监测,工业生产,医学诊断等领域。它的发展引起了广大研究者的注意,在气敏元件的制作环节中,气敏材料的选取对材料的气敏性能起决定性作用,目前,很多半导体金属氧化物被相继制成传感器探究其气敏性能,在众多气敏材料中,In2O3是最传统最具代表性的气敏材料,因为其选择性好,灵敏度高得到了广大研究者的注意。然而一元材料由于组份单一往往催化能力有限、氧化还原活性弱,很难获得较高的气敏特性。研究证明,掺杂能改变材料的组份,微结构,结合各自的优势,获得新的性能,提高材料的气敏性能。因此本文首先使用静电纺丝法制备了一维多孔的In2O3纳米纤维,对其形貌结构进行了表征,在此基础上加入NiO制备了 In2O3-NiO复合纳米纤维,探究了样品对乙醇的响应行为,期望p型半导体NiO的加入能够使其与IIn2O3在材料内部形成p-n结,增强复合材料对乙醇的电阻调制效应,以期获得更高的气敏性能。另外,为了更高效的在低温下检测空气中的NO2,提高材料对NO2的灵敏度,我们在纯的In2O3中加入了 rGO,制备出了不同质量比(1.1 wt%,2.2 wt%,3.6 wt%)的In2O3-rGO复合纳米纤维,期望rGO的加入能有效提高In203对NO2的响应行为,具体研究内容如下:使用静电纺丝法合成了纯的In2O3和不同摩尔比(Ni/In=2.5%,5%,7.5%)的In203-NiO复合纳米纤维并探究了它们对乙醇的气敏响应性能。测试结果表示:与纯的In2O3相比,加入NiO后,所有复合样品的气敏性能都有所提升,其中5%复合量的样品具有最高的响应值,温度为300 ℃时,5%复合量的样品对浓度为100 ppm乙醇的响应值为78,此样品对乙醇也显示出较好的选择性和稳定性。我们对样品的机理也做了探讨,认为提高的气敏性能主要是由于加入NiO后p-n结在材料内部的形成,提高的氧吸附能力及增加的比表面积。对样品的电阻测试结果表明,加入NiO后,所有样品的电阻都变高,其中5%的样品和纯的In2O3样品的电阻分别为21.0 MΩ和3.8 KΩ,增加了 5526倍,这一极大电阻的变化预示着p-n结在材料内部的形成,是复合材料气敏性能提高的主要原因。在第三章中,我们首先通过修改的Hammer’s法制备了氧化石墨烯(GO),通过高温还原将GO还原为还原氧化石墨烯(rGO),将rGO加入到纺丝前驱液中,通过静电纺丝法成功合成了纯的In2O3和不同质量比(1.1 wt%,2.2 wt%,3.6 wt%)的In2O3-rGO复合纳米纤维。XRD的表征显示出我们所制备出的样品纯度较高,TEM的表征显示出rGO纳米片附着在In2O3纳米纤维表面边界,XPS测试表示所制备的rGO具有非常高的还原度,BET测试表明加入rGO后,样品的比表面积得到提高。我们近一步探究了低温下样品对NO2的气敏响应性能,结果显示,加入rGO后,所有复合材料的气敏性能均得到提高,复合样品的灵敏度,选择性均高于纯的In2O3,证明rGO的加入能有效提高1n2O3对NO2的气敏性能。其中,复合量为2.2 wt%的样品在所有复合样品中显示出最佳的气敏性能,具有最高的响应值,当温度为50 ℃时,2.2 wt%的样品对5 ppm NO2的灵敏度为42,该灵敏度是纯的In2O3样品的4.4倍。在对气敏机制的探讨中我们认为提高的气敏性能是由于p-n结在材料内部的形成,rGO超大的比表面积与气体吸附能力,优越的气敏性能使得该材料成为低温下检测NO2的潜在应用材料。
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