α-Fe2O3-g-C3N4異質(zhì)結(jié)復(fù)合材料的合成及其氣敏性能的研究.pdf

1、隨著空氣污染的加重和職業(yè)安全問題意識日益的增長，越來越需要一種可以對空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控的儀器以保障人類的健康。氣敏傳感器是一種在一定條件下能夠感測到待測氣體成分和濃度變化，并將這個信號轉(zhuǎn)化為可輸出的電或者光信號的儀器，其在空氣質(zhì)量監(jiān)控以及爆炸物和有毒有害氣體檢測中發(fā)揮著重要的作用。在氣敏傳感器所有種類里金屬氧化物氣敏傳感器是目前應(yīng)用最廣泛的，已被用于制作金屬氧化物氣敏傳感器的半導(dǎo)體材料有ZnO、In2O3、SnO2、α-Fe2O3、MoO

2、3和WO3等，其中氧化鐵（α-Fe2O3）是一種屬于六方晶系結(jié)構(gòu)的n型金屬半導(dǎo)體材料，其帶隙較窄一般為2.2 eV，因其存儲豐富、無毒、高耐腐蝕性、具有良好的耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性而得到了廣泛的關(guān)注。人們已成功合成α-Fe2O3材料的形貌有很多種并對其進(jìn)行了氣敏性能測試，但是目前存在的問題是響應(yīng)靈敏度不夠高、選擇性不夠好、響應(yīng)-恢復(fù)時間長等。本論文通過控制實驗條件合成α-Fe2O3多孔納米管新型結(jié)構(gòu)，一種利于氣體擴(kuò)散的形貌，測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)雖然

3、響應(yīng)-恢復(fù)時間減短了，但其它問題并未有明顯的改善。研究發(fā)現(xiàn)，將α-Fe2O3材料與其它合適的材料進(jìn)行復(fù)合可以有效地提升傳感器的氣敏性能。在其它功能性材料中石墨相碳化氮(g-C3N4)是帶隙為2.7 eV的二維層狀材料，是各種碳氮同素異形體中最穩(wěn)定的，與其它非局域性共軛π結(jié)構(gòu)材料如 C60、石墨烯和碳納米管類似的是g-C3N4具有快速的電荷分離和相當(dāng)慢的電荷復(fù)合性能。此外，g-C3N4是一種軟聚合物，可以很容易地附在其他化合物的表面上，促

4、進(jìn)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成，而且不同于有機(jī)共軛π材料如聚苯胺，g-C3N4的層狀結(jié)構(gòu)有利于電荷轉(zhuǎn)移。另外g-C3N4氮含量高，可提供比其他CN材料更多的活性反應(yīng)位點和在原則上對吸附氧具有更強(qiáng)的還原性。因此，g-C3N4因具有優(yōu)良的耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性而吸引了大量的科學(xué)研究。所以，將α-Fe2O3材料與g-C3N4材料復(fù)合有望提升傳感器的相關(guān)性能。碩士工作的研究內(nèi)容有以下幾個內(nèi)容：
　　(1)合成α-Fe2O3多孔納米管結(jié)構(gòu)并進(jìn)行相關(guān)

5、氣敏性能測試
　　以九水硝酸鐵（Fe(NO3)3·9H2 O）為鐵源，通過控制實驗條件經(jīng)過先水熱后退火的過程合成了α-Fe2O3多孔納米管。在對α-Fe2O3材料進(jìn)作了基本的 XRD和SEM表征后，進(jìn)行性能測試。測試結(jié)果顯示以α-Fe2O3材料制作的氣敏傳感器對乙醇?xì)怏w的響應(yīng)-恢復(fù)時間很短，在最佳工作溫度下反應(yīng)-恢復(fù)時間可以達(dá)到7.7 s、2.6 s，說明這種多孔的管狀結(jié)構(gòu)為氣體的擴(kuò)散和吸附化學(xué)反應(yīng)提供了更多的通道和反應(yīng)位點。但是

6、存在的問題是靈敏度不夠高和選擇性不夠好，為了解決這些問題我們將α-Fe2O3材料進(jìn)行復(fù)合。
　　(2)制備α-Fe2O3/g-C3N4復(fù)合納米材料及其氣敏性能研究
　　采用高溫退火煅燒將α-Fe2O3與和g-C3N4納米片進(jìn)行復(fù)合，經(jīng)過結(jié)構(gòu)和形貌表征來分析復(fù)合物的化學(xué)成分和形貌。氣敏性能測試結(jié)果對比得到α-Fe2O3/g-C3N4復(fù)合材料在最佳溫度條件下的響應(yīng)靈敏度是純α-Fe2O3材料的2.8倍，對乙醇?xì)怏w表現(xiàn)出了良好的選