氧化锌基纳米材料的合成及其气敏性能

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现代生产和生活中,可燃性气体和有毒气体随时威胁着人民的生命财产安全,因此,气体传感器技术越来越受到人们的关注。随着工业的不断发展,环境检测技术的不断进步,对气体传感器的要求也越来越高。ZnO作为气敏传感器的研究始于20世纪60年代,是研究最早、应用较广的气敏材料之一。其作为气敏材料稳定性较好,但缺点在于灵敏度偏低,工作温度较高(一般在400℃~500℃)。因此提高其对某些气体的测试灵敏度、降低工作温度成为人们研究的热点。从纳米材料的制备入手,人们看到了实现这一目标的希望。具体包括制备方法的改进,金属元素的掺杂,氧化物的复合,样品的薄膜化等。基于这样的考虑,本文从以下几个方面研究了ZnO气敏材料性能上的改进。一、不同制备方法对ZnO气敏性能的影响。分别用螯合物分解法、微乳液法、溶胶-凝胶法制备了纳米ZnO粉体。对材料的气敏性能研究发现,在工作温度335℃时,螯合物法ZnO和溶胶-凝胶法ZnO对Cl2的灵敏度均低于30,且选择性差。而微乳液法ZnO对Cl2的灵敏度高达512,且高出其他被测气体近20倍,因此对Cl2表现出较好的灵敏度和选择性。二、稀土离子掺杂对ZnO气敏性能的影响。采用溶胶-凝胶法制备了ZnO及Y3+、La3+、Ce4+掺杂的ZnO纳米微粒。对Y3+、La3+、Ce4+三种离子的掺杂研究表明,在工作温度305℃时,掺入质量百分含量为8%的CeO2后,材料对H2S气体有很好的灵敏度和选择性及较好的响应-恢复特性。三、加入过渡金属氧化物形成尖晶石型复合氧化物对ZnO气敏性能的改进。通过一种新型的W/O微乳液方法成功地合成了纳米ZnM2O4(M=Fe,Co,Cr)粉体。研究发现,复合氧化物在很大程度上降低了元件的工作温度。在工作温度270℃时ZnFe2O4元件对Cl2表现出很好的灵敏度、选择性和响应恢复特性。
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