论文部分内容阅读
进入20世纪以来,经济的迅速发展为人类创造了巨大的经济利益,同时也给自然环境的可持续发展带来了诸多问题。而大气中的有毒有害气体最为与人类的生活息息相关,因此制备出能够迅速检测这些有毒有害气体的传感器成为科研工作者迫在眉睫的任务。TiO2是一种宽禁带半导体材料,其禁带宽度为3.2eV（锐钛矿相）或3.0 eV（金红石相）,由于其独特的结构和化学性质,已被广泛应用于光催化、气敏传感器等领域。然而单一的TiO2气敏材料存在着工作温度高、选择性差等缺点,掺杂、表面修饰及与其他气敏材料复合形成分级纳米结构是改善TiO2气敏性能的常用方法。本文选取TiO2为基础材料,采用静电纺丝技术制备TiO2纳米纤维,通过掺杂或表面修饰调节TiO2纳米纤维的活性位点。同时,利用二步水热法制备了ZnO/TiO2与α-Fe2O3/TiO2分级纳米结构气敏材料,系统研究了不同水热时间和浓度对获得分级纳米结构对其气敏性能的影响,由于分级纳米结构提供较大的比表面积和更多的活性位点,这将有利于气敏性能的提高。具体研究工作如下:1.介绍了静电纺丝技术原理,并利用静电纺丝技术制备TiO2纳米纤维,研究了TiO2纳米纤维的工作温度对其气敏性能的影响,结果表明工作温度为375℃时,TiO2纳米纤维对丙酮有较高的灵敏度。2.探索了ZnO纳米颗粒表面修饰TiO2纳米纤维对其气敏性能的影响,研究表明ZnO纳米颗粒的表面修饰能够改善TiO2纳米纤维的气敏性能,ZnO纳米颗粒修饰TiO2纳米纤维提高了对丙酮的灵敏度,工作温度为375℃时,对100ppm的丙酮气体的灵敏度可达到4.90。同时,利用静电纺丝法制备Zn掺杂的TiO2纳米纤维,并研究了Zn掺杂对TiO2纳米纤维气敏性能的影响,结果发现Zn掺杂能够明显提高TiO2纳米纤维对丙酮的灵敏度,传感器工作温度为375℃时,对100ppm的丙酮气体的灵敏度可达6.36。此外,我们利用静电纺丝法和水热法制备出了ZnO/TiO2分级纳米结构,首先通过静电纺丝法制备了TiO2纳米纤维,然后以TiO2纳米纤维为模板,通过水热法制备出了ZnO/TiO2分级纳米结构材料,采用SEM和TEM对分级纳米结构进行了分析,发现ZnO纳米锥柱以阵列结构均匀地生长在TiO2纳米纤维的表面,并系统研究了水热反应时间对ZnO/TiO2分级纳米结构的形貌及气敏性能的影响,研究结果表明ZnO/TiO2分级纳米结构材料的气敏性能要优于由TiO2纳米纤维和ZnO纳米锥柱的气敏性能,ZnO纳米锥柱的最佳反应时间为2h,分级纳米结构传感器最佳工作温度为350℃,此时对100ppm的丙酮气体的灵敏度可高达21.70。3.研究了α-Fe2O3/TiO2分级纳米结构气敏材料的制备及气敏性能。首先通过静电纺丝法制备了TiO2纳米纤维,然后以TiO2纳米纤维为模板,通过水热法在TiO2纳米纤维表面生长α-Fe2O3纳米阵列,然后在空气气氛中500℃退火2h,最终获得α-Fe2O3/TiO2分级纳米结构材料。利用SEM、TEM对获得分级纳米结构材料的形貌进行了表征,结果表明α-Fe2O3纳米棒阵列均匀的长于TiO2纳米纤维表面,α-Fe2O3纳米棒的直径约为20nm。通过对分级纳米结构及TiO2纳米纤维、α-Fe2O3纳米结构的气敏性能进行测试,发现α-Fe2O3/TiO2分级纳米结构材料的气敏性能要明显优于TiO2纳米纤维以及α-Fe2O3纳米结构的气敏性能,在工作温度为275℃时,α-Fe2O3/TiO2分级纳米结构对100ppm丙酮的灵敏度可高达40.10。