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《上海第二工业大学》 2018年
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基于p型CuO材料的高灵敏度H_2S气体传感器的性能研究

胡校兵  
【摘要】:工业发展带来诸多环境破坏,环境问题也始终是我们国家关注的焦点,尤其是对环境中存在的有毒有害气体的检测。在众多有毒有害以及易燃易爆的气体中,硫化氢(H_2S)气体是一种在人类居住环境中常见的具有神经毒性、令人窒息的有害气体,同时也会诱发阿耳茨海默式病、唐氏综合征以及肝硬化等疾病。因此,有效地检测环境中微量的H_2S气体对保证人类的健康生活具有重要意义。金属氧化物气体传感器由于具有成本低廉、工艺灵活性大、使用方法简单、可探测的气体种类多并且可以制备成便携式的设备等优点因而成为研究的热点。目前金属氧化物气体传感器在实际应用中存在灵敏度低、工作温度较高、响应速度较慢和选择性不够等问题。提升金属氧化物气体传感器灵敏度的最为常用的两种方法是形貌控制和使用添加剂。本论文以p型半导体CuO为敏感材料,采用复合结构及使用贵金属掺杂的方式以提升CuO气体传感器对H_2S气体的敏感性能,并对该传感器敏感性能增强的机理做详细讨论。本文的主要研究成果包括:(1)采用简单的水浴加热法制备了纯CuO以及不同Pd掺杂浓度的CuO纳米花。通过XRD、SEM、TEM、EDX、ICP-AES以及BET对样品的组成和结构进行分析。将上述样品制备成气敏元件,测试其对CH_4、NO_2、C_2H_5OH、H_2S、NH_3以及H_2的气敏性能。结果表明,基于1.25 wt%Pd掺杂的CuO纳米花气体传感器,在工作温度为80 ~oC下,对50 ppm H_2S的灵敏度(R_g/R_a,其中R_a是气体传感器在空气中的电阻值,R_g是传感器在目标气体中的电阻值)高达123.4,远远高于纯CuO气体传感器(R_g/R_a=15.7)。此外,该传感器还表现出了出色的稳定性和可重复性。通过采用一种脉冲电压,有效解决了传感器在低的工作温度下难以脱附这一普遍难题。(2)采用简单的水浴加热法制备了纯CuO以及不同Pt掺杂浓度的CuO微/纳米花,并且通过XRD、SEM、EDX、ICP-AES、BET及XPS对样品形貌、结构及组成进行表征。将上述样品制备成气敏元件,测试其在不同的工作温度下多H_2S气体的气敏特性,并且系统地研究了Pt掺杂量对CuO气敏性能的影响。气敏测试结果表明,基于1.25 wt%Pt掺杂的CuO气体传感器在工作温度为40 ~oC时,对10 ppm H_2S气体的灵敏度达到135.1,是纯CuO气体传感器的13.1倍。同时Pt掺杂提升了传感器对H_2S气体的选择性。(3)以醋酸铜(Cu(CH_3COO)_2·2H_2O)为原料,采用简单的水浴加热法,制备出表面光滑、尺寸为1.5-2μM、均一性良好的CuO微球,通过在此微球表面生长一层厚度均匀的CuFe_2O_4纳米颗粒,成功制备出CuO/CuFe_2O_4核壳结构,采用SEM、HRTEM、EDX、XPS、TG-DTA、XRD等对核壳结构的形貌、组成、元素状态等进行深入分析。并分别对CuO微球、纯CuFe_2O_4以及CuO/CuFe_2O_4核壳结构进行气敏测试。气敏测试结果表明核壳结构对H_2S气敏性能的提升十分有利,在工作温度为240 ~oC时,该核壳结构对10 ppm H_2S气体的灵敏度是纯CuO微球的20倍。同时我们从p-n异质结的形成等方面对上述核壳结构的气敏机理进行了详细探讨。
【学位授予单位】:上海第二工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TP212

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