面向气体传感与甲烷转化的半导体氧化物材料:制备与性能研究
来源:论文学术网
时间:2024-08-18 20:59:00
热度:
面向气体传感与甲烷转化的半导体氧化物材料:制备与性能研究【摘要】:半导体材料种类繁多,由于其具有优异的电学、光学、磁学性质,被广泛应用在各个领域。其中,金属氧化物半导体材料用途尤为
【摘要】:半导体材料种类繁多,由于其具有优异的电学、光学、磁学性质,被广泛应用在各个领域。其中,金属氧化物半导体材料用途尤为广泛。它们不仅具有半导体的共性,构成的金属元素还给他们带来丰富的物理、化学特性。随着纳米技术的发展,人们对材料微观结构的了解和认识取得了巨大进步,并逐渐发现功能材料的纳米结构与性能之间存在着密切的联系。研究者主要通过物理过程和化学反应过程来实现对材料组成、结构的调控,从而实现半导体材料的功能优化。基于以上背景和理念,本论文以In、Zn、Co和Ti等金属元素的氧化物为研究对象,采用简单的水热、溶剂热和静电纺丝方法合成了具有多种特色纳米结构(如多孔结构、空心结构、纳米薄片组装结构、一维纳米纤维结构和层状结构)的金属氧化物。通过多种表征手段和测试方法探索了金属氧化物的结构与气体传感、甲烷转化反应活性之间的关系,尝试通过设计相关结构实现功能的优化。本论文主要包括以下内容:一、采用前驱体法合成了具有敏感特性的多孔In2O3材料以及空心结构In2O3材料。首先采用甘油和异丙醇混合溶剂热法合成了含In的前驱体,然后在空气中煅烧即可得到In2O3材料。在合成反应中,甘油作为溶剂、导向剂、反应物,起到了调节形貌和结构的作用。我们通过改变前驱体的反应时间可以实现对产物结构的控制,获得了球形的多孔结构和超薄纳米片组装成的多级结构。通过煅烧处理,有机物发生分解,前驱体的形貌得到保持,并且生成多孔结构的In2O3材料。我们考察了这种材料对C1~C3烷烃的响应。发现350℃煅烧得到的多孔In2O3不仅比表面积最高,而且对几种烷烃的敏感性能最好。此外,我们还研究了超薄纳米片组装成的多级结构In2O3材料的形成机理及气体传感性能。首先,通过时间实验探究了该结构的形成机理,并且对该材料的结构进行了表征,发现In2O3超薄纳米片的厚度在2nm左右。随后研究了其对有机胺类物质的气敏响应能力,发现该材料在室温条件下对有机胺类有很好的选择性响应能力,即对其他常见气体无响应活性。进一步研究表明:多孔结构的In2O3对有机胺类也有气体传感响应,但是响应值明显低于薄片状组装的In2O3材料。这说明材料的微观结构对气敏活性有重要的影响。随后,我们结合FT-IR方法研究了超薄纳米片组装的In2O3材料的气体传感机理。二、采用静电纺丝的方法,制备了多孔中空ZnO纳米纤维。我们详细地研究了该材料对硝基化合物的气敏传感响应,发现ZnO材料对硝基化合物有很好的响应能力,对DNT最低响应浓度能达到3 ppb,对硝基烷烃、硝基芳香烃类也具有很好的响应能力。显然,硝基化合物具有两种响应情况,分别对应于分子中不同的位点。且响应高低与主体材料的酸碱性及表面活性氧的浓度等有关。此外,我们通过理论计算分析了气敏响应过程的机理。三、制备了空心结构的Co3O4。首先,采用溶剂热法制备了甘油钴前驱体,随后通过在空气气氛中烧结,得到空心结构的Co3O4。我们发现Co3O4在室温条件下对甲醛气体有很好的响应活性,最低检测限达到1 ppm。另外,通过水热反应合成了超薄纳米片组装的空心结构Co3O4,该材料对甲醛气体亦有很好的响应活性。最后,我们对不同结构的Co3O4进行了气敏响应的比较。通过探究,我们认为气敏响应机理归结于吸附作用。四、为了考察催化剂材料结构对甲烷转化反应性能的影响,我们合成了多种类型的催化剂。采用醇盐水解法合成了纳米多孔结构的TiO2材料;采用水热法合成了稀土元素修饰的ETS-10分子筛;采用回流法合成了多种层状结构的双金属氢氧化物。表面光电压测试结果表明Ce修饰的ETS-10分子筛具有很强的光生电荷-空穴分离作用,这可能是提高其光催化甲烷转化效果的主要原因。通过紫外光沉积法,在纳米多孔结构TiO2表面原位负载了Au,Ag,Pt和Pd贵金属。初步探究了上述材料的甲烷转化性能,我们发现:在以上各种结构的材料中,含Ti物种的材料通常表现出较好的活性。此外,设计制作了一套在线反应及检测的真空系统,并初步完成了设备的调试。
【关键词】:金属氧化物 半导体 气体传感 光催化 甲烷转化
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TB383.1;O643.36
【目录】:
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TB383.1;O643.36
【目录】:
- 摘要5-7
- Abstract7-13
- 第1章 绪论13-63
- 1.1 半导体氧化物概述13-14
- 1.2 半导体氧化物的气体传感技术14-24
- 1.2.1 气体传感器概述14-17
- 1.2.2 半导体氧化物气体传感器的发展历程及研究现状17-18
- 1.2.3 气体传感器检测的基本参数和可检测气体的类别18-19
- 1.2.4 气体传感器检测的响应模型19-24
- 1.3 半导体氧化物光催化甲烷转化24-33
- 1.3.1 甲烷转化及光催化概述24-29
- 1.3.2 光催化甲烷转化的发展历程及研究现状29-32
- 1.3.3 光催化甲烷转化中存在的问题32-33
- 1.4 半导体氧化物的结构设计33-43
- 1.4.1 空心结构33-35
- 1.4.2 多孔结构35-38
- 1.4.3 多级结构38-40
- 1.4.4 低维结构40-41
- 1.4.5 多相复合结构41-42
- 1.4.6 高指数晶面42-43
- 1.5 本论文选题目的和意义43-44
- 1.6 本论文研究的创新点和主要内容44-45
- 参考文献45-63
- 第2章 多孔及超薄In_2O_3的合成及其烷烃和有机胺敏感特性63-93
- 2.1 引言63-66
- 2.1.1 甲烷等低碳烷烃的性质63
- 2.1.2 有机胺类气体分子的性质63-64
- 2.1.3 甲烷等低碳烷烃检测概述64-66
- 2.1.4 胺类气体分子检测概述66
- 2.2 多孔In_2O_3材料的合成和气敏性能研究66-73
- 2.2.1 多孔In_2O_3材料的合成方法66-67
- 2.2.2 多孔In_2O_3气体传感器件的制作67-68
- 2.2.3 多孔In_2O_3材料的表征68-69
- 2.2.4 多孔In_2O_3材料的气敏性能测试和结果讨论69-73
- 2.3 超薄片组装的空心结构In_2O_3材料的合成和气敏性能研究73-86
- 2.3.1 超薄片组装的空心结构In_2O_3材料的合成方法和气体传感器的制作73-74
- 2.3.2 超薄片组装的多级结构In_2O_3材料的表征74-77
- 2.3.3 薄片组装的空心结构In_2O_3材料对胺类的气敏性能测试77-83
- 2.3.4 薄片组装的空心结构In_2O_3材料的气敏机理研究83-86
- 2.4 本章小结86
- 参考文献86-93
- 第3章 多孔ZnO中空纳米纤维的合成及硝基化合物检测性能93-111
- 3.1 引言93-95
- 3.1.1 硝基化合物的基本性质93-94
- 3.1.2 硝基化合物检测概述94-95
- 3.2 多孔中空ZnO纳米纤维的合成及气敏性能研究95-106
- 3.2.1 多孔中空ZnO纳米纤维的合成和气体传感器的制作95-96
- 3.2.2 多孔中空ZnO纳米纤维的表征96-97
- 3.2.3 多孔中空ZnO纳米纤维的硝基化合物检测性能97-101
- 3.2.4 多孔中空ZnO纳米纤维的硝基化合物检测机理101-106
- 3.3 本章小结106-107
- 参考文献107-111
- 第4章 空心Co_3O_4的合成及甲醛的检测性能111-123
- 4.1 引言111-112
- 4.1.1 甲醛的基本性质111
- 4.1.2 甲醛检测方法概述111-112
- 4.2 空心结构Co_3O_4的合成及对甲醛的响应性能112-119
- 4.2.1 空心Co_3O_4的合成和气体传感器的制作112-113
- 4.2.2 空心结构Co_3O_4材料的表征113-115
- 4.2.3 空心结构Co_3O_4对甲醛的响应特性115-119
- 4.3 本章小结119
- 参考文献119-123
- 第5章 光催化甲烷转化材料的合成、测试及原位测试系统的组装123-139
- 5.1 引言123-124
- 5.1.1 甲烷转化概述123
- 5.1.2 光催化甲烷转化材料的设计123-124
- 5.2 甲烷转化催化剂的合成及表征124-132
- 5.2.1 负载贵金属的多孔TiO_2材料的合成及表征124-125
- 5.2.2 ETS-10分子筛及稀土修饰ETS-10的合成及表征125-129
- 5.2.3 层状双金属氢氧化物的合成及表征129-132
- 5.3 非原位甲烷转化研究132-134
- 5.3.1 非原位甲烷测试方法132-133
- 5.3.2 非原位甲烷转化性能133-134
- 5.4 甲烷转化原位反应及检测系统的设计制作134-136
- 5.5 本章小结136
- 参考文献136-139
- 第6章 结论与展望139-141
- 作者简介141-143
- 攻读博士学位期间的研究成果143-145
- 致谢145
您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容
上一篇:水电施工企业实行股份制简介
-
用吹扫捕集法气相色谱质谱联用及电子捕获技术测定水中的三卤甲烷(THMs)2024-08-19
-
饲料添加剂可减少奶牛30%甲烷排放2024-08-19
-
一种焦炉尾气制天然气制甲烷化工艺2024-08-19
-
基于AADL的甲烷浓度监测报警系统可靠性验证2024-08-19
-
4,4′-二氨基二苯甲烷合成的正交试验法研究2024-08-19
-
研究发现牛吃抗生素甲烷排得多2024-08-19
-
溶剂解吸-气相色谱法测定工作场所空气中二氯甲烷2024-08-19
-
二氯甲烷分子构型和特征光谱的研究2024-08-19
-
科莱恩与惠生工程及阿美科福斯特惠勒共同建设的VESTA甲烷化新技术中试装置顺利通过各项性能测验2024-08-19
-
添加氯离子对Ni/CeO_2催化剂CO选择甲烷化反应催化性能的促进2024-08-19
-
Ag纳米蛾膜结构阵列对薄膜硅太阳能电池光吸收的影响2024-08-19
-
表面有机物影响煤体甲烷赋存机制研究及应用2024-08-18
-
污泥和餐厨废物两相双温发酵产氢产甲烷研究2024-08-18
-
铁酸盐基微波敏化剂在三苯甲烷染料降解中的应用2024-08-18
-
油包水乳液中甲烷水合物形成动力学研究2024-08-18