基于纳米催化剂的MEMS甲烷催化燃烧传感器的研究

【摘要】：低功耗、微型化与智能化是传感器当下的发展趋势。采用基于MEMS技术的微加热元件,制备基于MEMS技术的低功耗甲烷催化燃烧传感器现已成为甲烷催化燃烧传感器研究的一个重要发展方向。本论文制备了基于介孔γ-Al2O3载体的Rh体系甲烷催化燃烧催化剂和基于多种载体的Ru体系催化剂,将其用于MEMS甲烷催化燃烧传感器的制作,并进行了一系列的性能研究,期望利用介孔结构的高表面积扩大催化燃烧反应面积,提高传感器性能。(1)采用一步合成法制备了Rh/Al摩尔比为1：1、2：1、4：1、8：1的Rh2O3/γ-Al2O3介孔催化材料,通过TEM、XRD、EDS、XPS、BET等表征测试发现,其形貌特征与介孔γ-A1203载体的形貌相似,结构规整,介孔均一,所负载的贵金属(氧化物)均匀分散于载体中。经过催化反应测试发现Rh/Al摩尔比为4：1的催化剂制成的传感器具有最好的催化性能。该传感器还具有灵敏度高、抗毒化性能强、稳定性好、能耗低等特点。(2)采用浸渍法合成了两种钌体系催化剂：RuO2/Al2O3、RuO2/CeO2,通过材料的表征测试发现,在Ce02载体中RuO2分散度最好。催化性能测试发现两种催化剂体系中,RuO2/CeO2催化材料具有最好的催化性能。用Ce02作为载体,RuO2作为催化剂,以旋涂法制作了MEMS甲烷催化燃烧传感器,并进行气体测试。结果表明,该传感器对不同浓度甲烷有成比例的输出信号、较快的响应时间,但灵敏度较低,改善制作工艺后可满足实际运用的需求。(3)采用溶胶凝胶法和反相微乳液法合成ZnAl2O4载体,浸渍法在上面负载钌。研究发现,反相微乳液法合成的催化剂对甲烷有较低的起燃点。将其制成传感器后研究其性能,发现对甲烷的输出信号略低,但是具有较好的线性和较快响应时间,稍做改进后可实际应用。 【关键词】：纳米催化剂 甲烷 催化燃烧 传感器 MEMS
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TP212.2
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 文献综述10-23
• 1.1 引言10
• 1.2 纳米材料10-11
• 1.2.1 纳米材料概述10-11
• 1.2.2 纳米材料应用范围11
• 1.3 国内外气体传感检测系统的研究现状11-12
• 1.4 甲烷检测传感器12-17
• 1.4.1 甲烷传感器的分类12-16
• 1.4.2 MEMS传感器16-17
• 1.5 甲烷催化燃烧传感器用催化剂17-22
• 1.5.1 贵金属催化剂18-20
• 1.5.2 金属氧化物催化剂20-22
• 1.5.3 甲烷催化剂载体22
• 1.6 论文选题及意义22-23
• 第2章 基于介孔氧化铑/氧化铝复合材料的MEMS甲烷催化燃烧传感器的研究23-38
• 2.1 引言23-24
• 2.2 实验原料、仪器及表征设备24-25
• 2.2.1 实验药品与试剂24-25
• 2.2.2 实验仪器设备25
• 2.3 介孔氧化铑/氧化铝的合成25-26
• 2.3.1 氧化铝溶胶的配制25
• 2.3.2 不同摩尔比Rh-Al复合溶胶的配制25-26
• 2.3.3 不同摩尔比Rh_2O_3/介孔γ-Al_20_3催化材料的制备26
• 2.4 不同摩尔比介孔氧化铑/氧化铝的表征26-32
• 2.4.1 不同摩尔比介孔氧化铑/氧化铝的XRD测试结果26-27
• 2.4.2 不同摩尔比介孔氧化铑/氧化铝的XPS测试结果27-28
• 2.4.3 不同摩尔比介孔氧化铑/氧化铝的BET测试结果28-29
• 2.4.4 不同摩尔比介孔氧化铑/氧化铝的TEM测试结果29-32
• 2.5 MEMS传感器的制备与测试32-37
• 2.5.1 MEMS催化燃烧传感器的制作32
• 2.5.2 MEMS催化燃烧传感器的测试32-37
• 2.6 本章结论37-38
• 第3章 基于氧化物载体钌体系催化剂的MEMS甲烷催化燃烧传感器的研究38-55
• 3.1 引言38-39
• 3.2 实验原料、仪器及表征设备39-40
• 3.2.1 实验药品与试剂39
• 3.2.2 实验仪器设备39-40
• 3.3 RuO_2/Al_2O_3与RuO_2/CeO_2的制备40
• 3.3.1 介孔γ-Al_20_3的合成40
• 3.3.2 介孔CeO_2的合成40
• 3.3.3 RuO_2/Al_2O_3的合成40
• 3.3.4 RuO 2/CeO_2的合成40
• 3.4 RuO_2/Al_2O_3与RuO_2/CeO_2的表征40-46
• 3.4.1 RuO_2/Al_2O_3与RuO_2/CeO_2的X射线衍射测试结果40-41
• 3.4.2 RuO_2/Al_2O_3与RuO_2/CeO_2的BET测试结果41-42
• 3.4.3 RuO_2/Al_2O_3与RuO_2/CeO_2的透射电子显微镜(TEM)与电子能谱(EDS)测试结果42-43
• 3.4.4 RuO_2/Al_2O_3与RuO-2/CeO_2的催化剂性能测试43-46
• 3.5 MEMS传感器的制作与测试46-53
• 3.5.1 微加热器上黑白元件的制作46-49
• 3.5.2 MEMS甲烷催化燃烧传感器的性能测试49-53
• 3.6 本章结论53-55
• 第4章 基于铝酸锌载体钌体系催化剂的MEMS甲烷催化燃烧传感器的研究55-64
• 4.1 引言55-56
• 4.2 实验药品及仪器56-57
• 4.2.1 实验药品及试剂56
• 4.2.2 实验仪器设备56-57
• 4.3 两种方法合成RuO_2/ZnAl_2O_4催化材料57
• 4.3.1 溶胶凝胶法合成RuO_2/ZnAl_2O_4催化材料57
• 4.3.2 反相微乳液法合成RuO_2/ZnAl_2O_4催化材料57
• 4.4 两种方法合成的RuO_2/ZnAl_2O_4催化材料的表征57-62
• 4.4.1 RuO_2/ZnAl_2O_4催化材料的X射线衍射结果57-58
• 4.4.2 RuO_2/ZnAl_2O_4催化材料的BET结果58-59
• 4.4.3 RuO_2/ZnAl_2O_4催化材料的TEM与EDS结果59-61
• 4.4.4 RuO_2/ZnAl_2O_4催化材料的催化性能测试61-62
• 4.5 基于反相微乳液法RuO_2/ZnAl_2O_4催化材料的MEMS甲烷催化燃烧传感器的制作与测试62-63
• 4.5.1 MEMS甲烷催化燃烧传感器的制作62
• 4.5.2 MEMS甲烷催化燃烧传感器的测试62-63
• 4.6 本章小结63-64
• 第5章 结论64-66
• 参考文献66-73
• 致谢73-74
• 在读期间发表论文74

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