新型CO2气敏材料

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近年来由于人类大量使用煤、石油、天然气等化石燃料,同时不断砍伐树木、破坏森林和草原,空气中C02气体含量不断增加,引发了温室效应,给农业、经济、海洋生态、水循环、人口、环境等方面带来了消极影响。同时C02可以被用作其他用途,为人类生活和经济发展服务。因此探测C02气体的相关技术(气敏机理,材料开发,高品质C02气体传感器)亟待发展。优质的C02气体传感器需要具备高的目标气体(C02气体)灵敏度、选择性,长期稳定性,抗腐蚀性好,不易中毒,寿命高,较低的工作温度、电阻值和功率,较短的响应恢复时间等。金属氧化物材料和钙钛矿结构材料因各自的结构特征及气敏性能好而被广泛研究。C02气体由于其本身化学性质太稳定,导致对其敏感的材料相对较少。通过查阅C02和气敏相关文献以及采用WS-30A气敏元件测试系统对材料进行气敏性能测试,理论和实验相结合来寻找对C02气体敏感的材料。本论文研究主要结果如下:1.用沉淀法制备的Sn02气敏性能较好,并且该制备工艺所需材料、工具和流程简单,更加适用于工业化生产。各烧结温度(400~900℃)的纳米Sn02材料在200~300℃的测试温度段中测试温度为240℃时响应最好,灵敏度最大。各烧结温度(400~900℃)的纳米Sn02材料在6000ppm (CO2浓度)之后气敏响应灵敏度增加率变大,说明本课题沉淀法制备的纳米Sn02材料在高浓度的C02气氛下气敏性能佳。在200-300℃测试温度段烧结600℃的纳米SnO2材料气敏响应灵敏度一直大于其他烧结温度的Sn02材料,说明600℃烧结的纳米Sn02材料气敏性能最佳。对于烧结600℃的纳米Sn02气敏元件随着C02浓度增大,高浓度时材料的响应灵敏度有大幅度的增大,C02浓度为2000ppm,5000ppm,8000ppm时烧结600℃的纳米Sn02气敏元件在测试温度为24℃时气敏灵敏度分别为1.239,1.752,5.859,灵敏度增加率分别为41.4%和234.4%。高浓度C02氛围下烧结600℃的纳米Sn02材料对C02气体响应很快,240℃和340℃响应恢复时间分别为(31s,47s)和(5s,10s)。纳米Sn02材料接触C02气体后电阻变小。测试温度为240℃时,随着C02气体浓度增加,烧结600℃的纳米SnO2气敏元件响应时间减小,而恢复时间增大。随着测试温度的升高,烧结600℃的纳米Sn02气敏元件响应恢复时间均减小,到340℃时响应恢复时间都在10s左右。烧结600℃的纳米Sn02气敏元件在较低浓度(2000ppm和4000ppm)时,气敏响应灵敏度随着湿度增加(14~66%RH)先增大(34%RH)后减小,高浓度(6000ppm和20000ppm)时气敏响应灵敏度随着湿度增加(14~66% RH)逐渐减小。2.采用溶胶凝胶法制备的纳米NdFeO3材料在烧结温度为400~900℃时得到纯的钙钛矿结构,但是分散性不好。在测试温度为200℃时在3000ppm和5000ppm的CO2气体浓度中不同烧结温度(400~900℃)的纳米NdFeO3材料制备的气敏元件中600℃烧结的纳米NdFeO3材料气敏响应最佳。160~300℃的测试温度段内,测试温度为200℃时烧结600℃的纳米NdFeO3材料的气敏响应最好,1000ppm,3000ppm,5000ppm,7000ppm和9000ppm下在200℃时的气敏响应值分别为1.391,1.831,2.219,2.714和2.917。纳米NdFeO3材料接触二氧化碳气体后电阻增大。C02浓度为9000ppm时烧结600℃的纳米NdFeO3气敏元件在160℃,200℃,240℃,260℃和300℃时响应时间分别为380s,379s,289s,153s和150s,恢复时间分别为101s,88s,54s,35s和34s。可知随着测试温度的升高,响应恢复时间减小。3.采用溶胶凝胶法制备的纳米PrFeO3材料在烧结温度为400~800℃时得到纯的钙钛矿结构,烧结700℃的纳米PrFeO3材料的分散性较好。在160~240-℃的测试温度段中,160℃为最佳测试温度,且600~800℃烧结的纳米PrFeO3材料中700℃烧结的纳米PrFeO3粉体制备的气敏元件的气敏性能最好,响应灵敏度最大。700℃烧结的纳米PrFeO3材料制备的气敏元件在1000ppm和3000ppm的C02浓度下测试温度为160℃时气敏灵敏度分别为3.029,4.765。纳米PrFeO3材料接触C02气体后电阻变大。随着测试温度的升高以及C02气体浓度的增大,烧结700℃的纳米PrFeO3气敏元件气敏响应恢复时间都变短。
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