纳米结构BiVO4的制备及其气敏性能的研究

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金属氧化物半导体纳米材料因其具有独特的物理和化学性质而在气敏传感器领域里有着深入的研究和广泛的应用。众所周知,材料的性能很大程度上取决于其晶粒尺寸和微观形貌,因此我们需要深入研究金属氧化物纳米半导体气敏材料结构、形貌与其气敏性能之间的内在联系,进而从调控材料的晶粒尺寸和微观形貌入手,探索提高材料气敏性能的可靠途径。本论文采用水热法制备了BiVO4材料,探究了Bi(NO33水解形式以及添加表活性剂对产物结构和形貌的影响,并分析了BiVO4的生长机理。同时,我们也深入研究了BiVO4材料的晶粒尺寸和形貌与其气敏性能之间的内在联系。取得如下主要结论:1.以V2O5和Bi(NO33·5H2O为主要原料,控制表面活性剂油酸的添加量(OA与Bi的摩尔比分别为0,0.025,0.05,0.1和0.2),所得产物均为单斜白钨矿型BiVO4。随着油酸的加入,样品的分散性变好,颗粒尺寸也逐渐减小,当OA与Bi的摩尔比达到0.05时,所得BiVO4的颗粒尺寸最小,形成尺寸为5μm的微米球,微米球由100 nm的颗粒聚集而成,继续增大油酸的添加量,样品的颗粒尺寸反而增大。气敏测试结果显示,所制得的BiVO4气敏材料对100 ppm正丁醇气体具有较高的灵敏度,当OA与Bi的摩尔比达到0.05时,BiVO4的颗粒尺寸最小,气敏元件对100 ppm正丁醇的灵敏度最高(为29.1),最佳工作温度也最低(为260℃),响应/恢复时间为9/6 s。2.以NH4VO3和Bi(NO33·5H2O为主要原料,将Bi(NO33·5H2O和NH4VO3分别溶于HNO3溶液和水中,水热后得到尺寸为3-4μm的单斜白钨矿型BiVO4粉体,比表面积为2.2 m2g-1。而将Bi(NO33·5H2O溶于水中,最终得到颗粒尺寸为200 nm的单斜BiVO4颗粒,比表面积为4.2 m2g-1,往反应体系中添加乙醇胺,得到m-BiVO4纳米片,纳米片由尺寸为100 nm的颗粒构成,比表面积为8.6 m2g-1。气敏测试发现BiVO4基气敏元件在整个测试温度范围内(260-400℃)对100 ppm正丁醇、异丙醇,乙醇和甲醇的灵敏度依次降低,即其灵敏度会随着醇类C链的增长而增加。另外,通过添加乙醇胺所得到的BiVO4基气敏元件的气敏性最好,在260℃时对100 ppm正丁醇有较好的选择性(灵敏度为61.6),响应/恢复时间为9/6 s。
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