本文主要研究内容
作者刘波（2019）在《基于半导体金属氧化物的恶臭传感器构筑与性能研究》一文中研究指出：随着工业发展,恶臭气体污染日益变得严重;监测周边环境中恶臭气体的浓度对污染防控、工业安全都至关重要,而现场实时检测/监测则是最有效的方法。目前存在的检测手段依然是以昂贵和大型复杂的设备为主,如气相色谱/质谱仪和激光光谱仪等。考虑到高成本以及复杂的大型设备很难实现现场实时监测,需要开发新的技术去实现对恶臭气体的实时监测。半导体金属氧化物气体传感器由于成本低、便捷性、易于集成以及与物联网技术可有效结合等特点,被广泛应用于环境监测、公共安全和国防航空等领域。然而,长期研究发现,由于半导体气体传感器的本质,即表面氧化还原反应引起的电阻变化,导致其经常面临选择性差和工作温度高等缺点,这会大大阻碍其在实际监测中的应用。对半导体传感过程长期深入研究和分析发现,其传感过程主要包含气体识别过程、信号转换过程和利用过程。并且研究发现,对于这三个过程而言,提高传感器选择性的关键是如何提高敏感材料表面的选择性催化吸附。基于贵金属纳米催化剂负载可以提供高催化活性,改变表面反应动力学路径,促进半导体气体传感选择性提升。因此,本文通过构筑功能性的微纳米复合材料来实现对恶臭气体的检测,并且通过特异性贵金属纳米催化剂的修饰以及紫外光的激发,显著提高半导体传感器的选择性。另外,利用准原位XPS测试手段以及基于密度泛函理论(DFT)的计算深入地探究了气敏反应过程及内在机制。本论文的主要研究结果和创新点如下所述。1.SnO2/α-Fe2O3异质结纳米复合材料及其增强气敏性能。利用两步水热法和退火处理制备了 SnO2/α-Fe2O3异质结纳米复合材料,高分辨透射电镜(HRTEM)发现,超薄的β-FeOOH纳米片外延生长于中空SnO2球表面,形成SnO2/α-Fe2O3异质结纳米复合结构。将制备的SnO2/α-Fe2O3异质结用于传感材料,发现其对二甲基二硫醚(DMDS)气体显示出优异的传感性能,检测下限可以达到200 ppb。重要的是,就灵敏度和选择性而言,SnO2/α-Fe2O3传感器比单纯的SnO2传感器显示出更优异的DMDS传感性能。同时,通过对样品进行H2-TPR、CO-TPD和NH3-TPD测试以及综合分析发现,SnO2/α-Fe2O3对DMDS增强的传感性能可能归因于两个方面:一方面是纳米复合材料表面碱性变化引起的氧化能力增强,另一方面是SnO2和α-Fe2O3之间异质结上形成了“电子堆积层”。2.Pt纳米颗粒修饰的SnO2/α-Fe2O3纳米异质结复合材料及其对苯乙烯的增强气敏性能。将水热法、原位还原法和退火处理相结合,成功地制备了超精细Pt纳米颗粒修饰的SnO2/α-Fe2O3纳米异质结复合材料。利用该复合材料作为传感薄膜实现了对苯乙烯气体的检测。特别地,SnO2/α-Fe2O3/Pt复合材料对苯乙烯具有优异的传感性能,其检测极限可以达到50 ppb,响应/恢复时间为3/15 s;另外,与Sn02和Sn02/α-Fe2O3材料相比,在n-n纳米异质结和Pt催化剂的协同作用下,Sn02/α-Fe203/Pt传感层对苯乙烯显示出更高地响应值以及增强的选择性。分析认为,该传感层对苯乙烯增强的传感性能主要归因于n-n纳米异质结和肖特基结所引起的电子敏化效应以及Pt纳米颗粒的催化敏化效应。3.Pd纳米颗粒修饰卵黄结构In2O3复合材料及其对CS2的气敏性能与机理。将金属有机框架(MOF)模板法与后续退火处理相结合,成功制备了Pd纳米颗粒修饰的卵黄结构In2O3复合材料。研究发现,将所制备的Pd/In203复合物用作传感材料,其对二硫化碳(CS2)气体表现出优异的传感性能,检测极限达到1 ppm,这远低于其阈值6.7 ppm(美国环境保护局)。特别地,与单独的In2O3材料相比,Pd纳米颗粒的负载极大地提高了 Pd/In203复合物对CS2的选择性和气体响应值。密度泛函理论(DFT)计算表明,在CS2传感过程中,Pd催化反应产生的中间体S是实现高CS2气体响应和超选择性的关键。同时,准原位XPS测试进一步证明了CS2传感过程中Pd/In203的表面的确产生大量的S单质。基于DFT计算和XPS分析结果,我们对Pd/In203表面的CS2传感过程提出了一种新的传感机理。4.Sn02/AuPd复合物对DMDS的增强气敏性能及机理。我们利用水热法制备了尺寸均一,分散性好的Sn02中空纳米球,然后通过原位共还原法制备出超小的Au/Pd合金颗粒修饰的Sn02复合物。研究发现,该Au/Pd@Sn02复合物作为传感材料对DMDS气体表现出优异的传感性能。并且与Sn02,Au/Sn02和Pd/Sn02基传感器相比,所制备的Au/Pd@Sn02复合物表现出更高的DMDS气体响应值和超选择性。进一步地,DFT计算和原位XPS测试发现,相对于其它干扰气体(NH3,H2S,甲硫醚,甲硫醇,TMA,苯乙烯,CS2,乙醇和丙酮),Au/Pd合金纳米颗粒的修饰显著提升了SnO2对DMDS气体的吸附能,同时对其他干扰气体的吸附能非常小,这可能是该复合材料对DMDS显示出超选择性的原因。此外,传感过程中产生的S单质可能是Sn02/AuPd对DMDS响应值增强的原因。5.Sn02单层阵列薄膜及其在紫外光照下对NO2气体的增强气敏性能。利用水热法以及空气/水界面自组装法得到了紧密堆积的Sn02单层阵列薄膜。进一步地,将该单层阵列薄膜作为敏感薄膜,在紫外光照射下,其对NO2气体显示出优异的室温传感性能,检测极限低至100 ppb,响应/恢复速度快(7/25秒),并具有优异的NO2选择性。研究还发现,在紫外光照射下,Sn02薄膜的厚度对NO2的气体响应值、响应/恢复时间以及选择性有影响,进一步研究揭示了薄膜厚度与传感性能之间本质关系。特别地,我们详细讨论了其可能存在的传感机理。
Abstract
sui zhao gong ye fa zhan ,e chou qi ti wu ran ri yi bian de yan chong ;jian ce zhou bian huan jing zhong e chou qi ti de nong du dui wu ran fang kong 、gong ye an quan dou zhi guan chong yao ,er xian chang shi shi jian ce /jian ce ze shi zui you xiao de fang fa 。mu qian cun zai de jian ce shou duan yi ran shi yi ang gui he da xing fu za de she bei wei zhu ,ru qi xiang se pu /zhi pu yi he ji guang guang pu yi deng 。kao lv dao gao cheng ben yi ji fu za de da xing she bei hen nan shi xian xian chang shi shi jian ce ,xu yao kai fa xin de ji shu qu shi xian dui e chou qi ti de shi shi jian ce 。ban dao ti jin shu yang hua wu qi ti chuan gan qi you yu cheng ben di 、bian jie xing 、yi yu ji cheng yi ji yu wu lian wang ji shu ke you xiao jie ge deng te dian ,bei an fan ying yong yu huan jing jian ce 、gong gong an quan he guo fang hang kong deng ling yu 。ran er ,chang ji yan jiu fa xian ,you yu ban dao ti qi ti chuan gan qi de ben zhi ,ji biao mian yang hua hai yuan fan ying yin qi de dian zu bian hua ,dao zhi ji jing chang mian lin shua ze xing cha he gong zuo wen du gao deng que dian ,zhe hui da da zu ai ji zai shi ji jian ce zhong de ying yong 。dui ban dao ti chuan gan guo cheng chang ji shen ru yan jiu he fen xi fa xian ,ji chuan gan guo cheng zhu yao bao han qi ti shi bie guo cheng 、xin hao zhuai huan guo cheng he li yong guo cheng 。bing ju yan jiu fa xian ,dui yu zhe san ge guo cheng er yan ,di gao chuan gan qi shua ze xing de guan jian shi ru he di gao min gan cai liao biao mian de shua ze xing cui hua xi fu 。ji yu gui jin shu na mi cui hua ji fu zai ke yi di gong gao cui hua huo xing ,gai bian biao mian fan ying dong li xue lu jing ,cu jin ban dao ti qi ti chuan gan shua ze xing di sheng 。yin ci ,ben wen tong guo gou zhu gong neng xing de wei na mi fu ge cai liao lai shi xian dui e chou qi ti de jian ce ,bing ju tong guo te yi xing gui jin shu na mi cui hua ji de xiu shi yi ji zi wai guang de ji fa ,xian zhe di gao ban dao ti chuan gan qi de shua ze xing 。ling wai ,li yong zhun yuan wei XPSce shi shou duan yi ji ji yu mi du fan han li lun (DFT)de ji suan shen ru de tan jiu le qi min fan ying guo cheng ji nei zai ji zhi 。ben lun wen de zhu yao yan jiu jie guo he chuang xin dian ru xia suo shu 。1.SnO2/α-Fe2O3yi zhi jie na mi fu ge cai liao ji ji zeng jiang qi min xing neng 。li yong liang bu shui re fa he tui huo chu li zhi bei le SnO2/α-Fe2O3yi zhi jie na mi fu ge cai liao ,gao fen bian tou she dian jing (HRTEM)fa xian ,chao bao de β-FeOOHna mi pian wai yan sheng chang yu zhong kong SnO2qiu biao mian ,xing cheng SnO2/α-Fe2O3yi zhi jie na mi fu ge jie gou 。jiang zhi bei de SnO2/α-Fe2O3yi zhi jie yong yu chuan gan cai liao ,fa xian ji dui er jia ji er liu mi (DMDS)qi ti xian shi chu you yi de chuan gan xing neng ,jian ce xia xian ke yi da dao 200 ppb。chong yao de shi ,jiu ling min du he shua ze xing er yan ,SnO2/α-Fe2O3chuan gan qi bi chan chun de SnO2chuan gan qi xian shi chu geng you yi de DMDSchuan gan xing neng 。tong shi ,tong guo dui yang pin jin hang H2-TPR、CO-TPDhe NH3-TPDce shi yi ji zeng ge fen xi fa xian ,SnO2/α-Fe2O3dui DMDSzeng jiang de chuan gan xing neng ke neng gui yin yu liang ge fang mian :yi fang mian shi na mi fu ge cai liao biao mian jian xing bian hua yin qi de yang hua neng li zeng jiang ,ling yi fang mian shi SnO2he α-Fe2O3zhi jian yi zhi jie shang xing cheng le “dian zi dui ji ceng ”。2.Ptna mi ke li xiu shi de SnO2/α-Fe2O3na mi yi zhi jie fu ge cai liao ji ji dui ben yi xi de zeng jiang qi min xing neng 。jiang shui re fa 、yuan wei hai yuan fa he tui huo chu li xiang jie ge ,cheng gong de zhi bei le chao jing xi Ptna mi ke li xiu shi de SnO2/α-Fe2O3na mi yi zhi jie fu ge cai liao 。li yong gai fu ge cai liao zuo wei chuan gan bao mo shi xian le dui ben yi xi qi ti de jian ce 。te bie de ,SnO2/α-Fe2O3/Ptfu ge cai liao dui ben yi xi ju you you yi de chuan gan xing neng ,ji jian ce ji xian ke yi da dao 50 ppb,xiang ying /hui fu shi jian wei 3/15 s;ling wai ,yu Sn02he Sn02/α-Fe2O3cai liao xiang bi ,zai n-nna mi yi zhi jie he Ptcui hua ji de xie tong zuo yong xia ,Sn02/α-Fe203/Ptchuan gan ceng dui ben yi xi xian shi chu geng gao de xiang ying zhi yi ji zeng jiang de shua ze xing 。fen xi ren wei ,gai chuan gan ceng dui ben yi xi zeng jiang de chuan gan xing neng zhu yao gui yin yu n-nna mi yi zhi jie he xiao te ji jie suo yin qi de dian zi min hua xiao ying yi ji Ptna mi ke li de cui hua min hua xiao ying 。3.Pdna mi ke li xiu shi luan huang jie gou In2O3fu ge cai liao ji ji dui CS2de qi min xing neng yu ji li 。jiang jin shu you ji kuang jia (MOF)mo ban fa yu hou xu tui huo chu li xiang jie ge ,cheng gong zhi bei le Pdna mi ke li xiu shi de luan huang jie gou In2O3fu ge cai liao 。yan jiu fa xian ,jiang suo zhi bei de Pd/In203fu ge wu yong zuo chuan gan cai liao ,ji dui er liu hua tan (CS2)qi ti biao xian chu you yi de chuan gan xing neng ,jian ce ji xian da dao 1 ppm,zhe yuan di yu ji yu zhi 6.7 ppm(mei guo huan jing bao hu ju )。te bie de ,yu chan du de In2O3cai liao xiang bi ,Pdna mi ke li de fu zai ji da de di gao le Pd/In203fu ge wu dui CS2de shua ze xing he qi ti xiang ying zhi 。mi du fan han li lun (DFT)ji suan biao ming ,zai CS2chuan gan guo cheng zhong ,Pdcui hua fan ying chan sheng de zhong jian ti Sshi shi xian gao CS2qi ti xiang ying he chao shua ze xing de guan jian 。tong shi ,zhun yuan wei XPSce shi jin yi bu zheng ming le CS2chuan gan guo cheng zhong Pd/In203de biao mian de que chan sheng da liang de Schan zhi 。ji yu DFTji suan he XPSfen xi jie guo ,wo men dui Pd/In203biao mian de CS2chuan gan guo cheng di chu le yi chong xin de chuan gan ji li 。4.Sn02/AuPdfu ge wu dui DMDSde zeng jiang qi min xing neng ji ji li 。wo men li yong shui re fa zhi bei le che cun jun yi ,fen san xing hao de Sn02zhong kong na mi qiu ,ran hou tong guo yuan wei gong hai yuan fa zhi bei chu chao xiao de Au/Pdge jin ke li xiu shi de Sn02fu ge wu 。yan jiu fa xian ,gai Au/Pd@Sn02fu ge wu zuo wei chuan gan cai liao dui DMDSqi ti biao xian chu you yi de chuan gan xing neng 。bing ju yu Sn02,Au/Sn02he Pd/Sn02ji chuan gan qi xiang bi ,suo zhi bei de Au/Pd@Sn02fu ge wu biao xian chu geng gao de DMDSqi ti xiang ying zhi he chao shua ze xing 。jin yi bu de ,DFTji suan he yuan wei XPSce shi fa xian ,xiang dui yu ji ta gan rao qi ti (NH3,H2S,jia liu mi ,jia liu chun ,TMA,ben yi xi ,CS2,yi chun he bing tong ),Au/Pdge jin na mi ke li de xiu shi xian zhe di sheng le SnO2dui DMDSqi ti de xi fu neng ,tong shi dui ji ta gan rao qi ti de xi fu neng fei chang xiao ,zhe ke neng shi gai fu ge cai liao dui DMDSxian shi chu chao shua ze xing de yuan yin 。ci wai ,chuan gan guo cheng zhong chan sheng de Schan zhi ke neng shi Sn02/AuPddui DMDSxiang ying zhi zeng jiang de yuan yin 。5.Sn02chan ceng zhen lie bao mo ji ji zai zi wai guang zhao xia dui NO2qi ti de zeng jiang qi min xing neng 。li yong shui re fa yi ji kong qi /shui jie mian zi zu zhuang fa de dao le jin mi dui ji de Sn02chan ceng zhen lie bao mo 。jin yi bu de ,jiang gai chan ceng zhen lie bao mo zuo wei min gan bao mo ,zai zi wai guang zhao she xia ,ji dui NO2qi ti xian shi chu you yi de shi wen chuan gan xing neng ,jian ce ji xian di zhi 100 ppb,xiang ying /hui fu su du kuai (7/25miao ),bing ju you you yi de NO2shua ze xing 。yan jiu hai fa xian ,zai zi wai guang zhao she xia ,Sn02bao mo de hou du dui NO2de qi ti xiang ying zhi 、xiang ying /hui fu shi jian yi ji shua ze xing you ying xiang ,jin yi bu yan jiu jie shi le bao mo hou du yu chuan gan xing neng zhi jian ben zhi guan ji 。te bie de ,wo men xiang xi tao lun le ji ke neng cun zai de chuan gan ji li 。
论文参考文献
论文详细介绍
论文作者分别是来自中国科学技术大学的刘波，发表于刊物中国科学技术大学2019-07-12论文，是一篇关于半导体气体传感器论文,恶臭气体论文,选择性论文,原位论文,传感机制论文,中国科学技术大学2019-07-12论文的文章。本文可供学术参考使用，各位学者可以免费参考阅读下载，文章观点不代表本站观点，资料来自中国科学技术大学2019-07-12论文网站，若本站收录的文献无意侵犯了您的著作版权，请联系我们删除。
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