分级结构α-Fe2O3材料及其复合材料的制备和气敏性能研究

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快速的工业化发展为人类生活的空气环境带来了许多不可忽视的安全隐患,使得作为检测有害气体的气敏传感器受到了广泛的关注。因此,开发具有低成本、快响应、高选择性、良好的稳定性和可重复性的气敏材料尤为重要。本论文以成本较低的α-Fe2O3材料为基础,通过简便的溶剂热法成功制备了两种分级结构的α-Fe2O3材料,探索制备工艺对产物结构和气敏性能的影响,分析结构优化提升材料气敏性能的机理;进而制备了α-Fe2O3/ZnO复合材料,探究复合物中不同铁离子和锌离子的比例对产物结构和性能的影响,研究复合材料提升气敏性能的机理。(1)通过溶剂热法制备了颗粒组装分级结构的立方体形貌α-Fe2O3材料。结果显示设置温度为160℃、时间14 h、反应物浓度为0.25 mol/L的工艺条件下制备的产物气敏性能较好,在250℃时对乙醇气体具有良好的选择性,气体浓度为100 ppm时其灵敏度为11.7,响应/恢复时间为46 s和61 s。其分级组装的形式为材料提供了疏松多孔的表面结构,具有比聚集结构的同种材料更好的气敏响应能力。(2)使用溶剂热法成功制备了纳米片组装分级结构的花状形貌α-Fe2O3材料。实验结果显示,在反应时间8 h,反应物浓度为0.02 mol/L的工艺条件下制备的产物气敏性能较好,在120℃时对NO2气体具有出色的选择性,浓度为100 ppm时其灵敏度为34.5,响应/恢复时间为24 s和19 s。此纳米片组装分级结构使材料具有独特的松散内部结构,便于目标气体向材料内部输送,提高材料的气敏利用率。(3)以溶剂热法成功制备了ZnO纳米颗粒分散包覆于立方体分级结构α-Fe2O3表面的α-Fe2O3/ZnO复合材料。实验结果证实,在铁锌离子比例为2:1条件下制备的α-Fe2O3/ZnO复合材料的气敏性能较好,在275℃时对100ppm浓度的乙醇气体的灵敏度为27.6,较原有α-Fe2O3单体提升了2.4倍;响应时间约为7 s,恢复时间为19s,与α-Fe2O3单体材料相比分别缩短了6.5倍和3.2倍。其气敏性能的提升主要来自α-Fe2O3和ZnO构筑的n-n型异质结构,有效增加了材料表面吸附氧离子的数目,同时ZnO的分散包覆在结构上也保持了分级结构材料的气敏优势,为高灵敏气敏传感器的研制提供了理论依据和可靠的数据。
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