论文部分内容阅读
自人类工业革命以来,由于大量使用化石燃料以及破坏地球植被,导致大气中二氧化碳含量急剧增加,这引发了温室效应,给全球生态环境带来了严重影响。另一方面,二氧化碳可作制冷剂,灭火剂,绿色植物光合作用的原料,也可用来制备碳酸氢铵、小苏打、纯碱、尿素、铅白颜料、饮料、灭火器等。二氧化碳对人类而言有利有弊,研发二氧化碳气敏材料,可以对二氧化碳气体进行检测和监控,因而具有十分重要的科研意义和应用价值。目前CO2气体传感器包括表面声波、红外线、电容型、固体电解质、电阻型和MOS型等种类,这些传感器大都制作复杂,装置庞大,因而增大了普及难度。目前电阻或电导型CO2气敏材料主要集中在单一或者p-n节型氧化物复合材料,例如CuO-BaTiO3复合材料,此类复合材料涉及两种物质CuO、BaTiO3,其制备工艺相对较为复杂。此外,BaTiO3物质的成相温度比较高,CuO-BaTiO3复合材料CO2气敏传感器的最佳工作温度也高达400℃以上。CO2是一种化学性质比较稳定的气体,相比于其他氧化性或者还原性气体来说比较难以探测。另外,单一相和复合结构的金属氧化物材料可以用作电阻型CO2传感器；当此材料暴露于CO2气体中时其电阻会发生变化。复合的氧化物薄膜(如：CuO-BaTiO3, La2O3-BaTiO3和ZrO2-BaTiO3)和单一相的半导体(如:Nd2O2CO3, SmCoO3, GdCoO3和La1-xSrxFeO3)都表现出了电阻的增大。到目前为止单一及复合氧化物对CO2的机理还存在争议。钙钛矿型氧化物AB3作为气敏材料具有单一金属氧化物所不具有的优势,不仅对气体表现出了良好的选择性和灵敏性,而且其工作稳定性非常高。同时这类气敏材料对气体的灵敏性、选择性以及工作稳定性等不仅可以通过改变A、B位的元素种类来调控,还可以通过对A位或者B位进行部分替代来调控。钙钛矿型氧化物ABO3结构稳定性强,掺杂也不会改变其原来所具有的结构。目前钙钛矿气敏材料的研究仍需要进行反复的尝试实验,需要选取掺杂物的种类,改变掺杂物的量等,以提高其气敏性、选择性和传感器的稳定性。此外,还需要发展先进的制造技术以降低其成本,同时确保其可靠性、安全性和重复性等。本文以钆Gd,钬Ho,钇Y,元素来取代A位制备的CO2气敏材料灵敏度高,气敏性能良好。本论文研究主要结果如下：1.本实验采用溶胶-凝胶法制备的HoFeO3纳米材料,在烧结温度为700℃时得到单一正交钙钛矿相结构。对CO2表现出良好的气敏性能。该材料为P型半导体,随二氧化碳浓度增大,HoFeO3气敏元件的电阻增大。气敏性能：在220℃最佳工作温度下,700℃退火的HoFeO3气敏元件对2000ppm,4000ppm,6000ppm C02气体的气敏响应分别为：1.842,2.195,2.47。2.采用溶胶-凝胶法制备的GdFeO3纳米材料,在烧结温度为700℃时得到单一正交钙钛矿相结构。对CO2表现出良好的气敏性能。GdFeO3亦为P型半导体,随二氧化碳浓度增大,GdFeO3气敏元件的电阻增大。气敏性能：在220℃最佳工作温度下,700℃退火的GdFeO3气敏元件对2000ppm C02气体的气敏响应为：1.453。GdFeO3对C02的响应时间约为70s-90s,恢复时间约为60s-80s。3.采用溶胶-凝胶法制备的YFeO3纳米晶材料,在烧结温度为800℃时得到单一正交钙钛矿相结构。对CO2表现出良好的气敏性能。随二氧化碳浓度增大,YFeO3气敏元件的电阻增大。气敏性能：在220℃最佳工作温度下,800℃退火的GaFeO3气敏元件对浓度为2000ppm,4000ppm,6000ppm的CO2气体的气敏响应分别为1.626,1.81,2.116.。除了研究钙钛矿型稀土金属氧化物对CO2的气敏性意外,本论文还探讨了可能的半导体金属氧化物对CO2的气敏机理。