基于二氧化钛纳米管气敏材料的制备及其性能研究.pdfVIP

摘 要 摘 要 实时监测环境中的氮氧化物(NOx)、碳氧化物(COx)、硫氧化物(SOx) 以及O3 等空气 污染物，对保护人类免受身体伤害至关重要。在这些有害气体中 NOx 作为主要有害气 体成分之一，它可以引起酸雨和光化学烟雾，威胁人们的生活环境，严重危害人们的健 康。NO2 作为 NOx 中的主要成分，我们则重点监测其在我们生活空间的浓度。因此， 研究具有高响应性能的NO2 传感器是目前研究者们关注的热点。在NO2 气体传感器中， 敏感材料的设计以及构建是NO2 气体传感器响应性能的关键所在。因此，制备性能优异 的NO2 气体敏感材料是提高 NO2 传感器响应性能的有效途径之一。二氧化钛具有无污 染、受激发可产生光生电子以及制备工艺简单等特点，是气体传感器制备中的一种理想 材料。与现阶段所正在研究中的其他金属氧化物半导体相比，以 TiO2 为基体的气体传 感器在实验制备过程中有着工艺简单、生产价格低廉等优点，使得它可以大规模的应用 于气体传感材料等相关领域。但是，TiO2 基气体传感器也存在着一些缺点，比如说传感 器敏感特性差、响应时间和恢复时间长等的问题。本论文以制备在室温下具有超高响应 性能的NO2 气体传感器为目标，探究在敏感材料的表面进行不同类型的修饰对其气敏特 性提升，并优化气敏材料的合成工艺条件，对材料晶界的表面、各晶面之间的合理调控， 从而来实现提升传感器的响应性能。 本论文的研究工作由以下三个方面组成： (1) 杂原子对二氧化钛纳米管进行掺杂修饰：以自制备碳纤维纳米线为模板材料， 采用溶胶凝胶化学方法，在碳纤维纳米线表面水解修饰 TiO2 薄层，最后通过煅烧，将 碳纤维纳米线模板移除，留下 C 掺杂的管状高氧空位浓度的 TNT ，由此获得了具有高 氧空位浓度的C/TNT 复合材料。对C/TNT 复合纳米结构材料中的晶间引入大量的氧空 位缺陷，使传感材料对目标气体具有更强的吸附能力，从而来提升传感材料的气敏响应 性能。 (2) 非金属化合物对二氧化钛纳米管阵列进行修饰：以二氧化钛纳米管阵列（TNTs ） 为气体敏感材料的基底，先用化学气相沉积法将C N 量子点（C N QDs ）修饰在TNTs 3 4 3 4 表面，然后再采用电化学还原法将氧化石墨烯（GO ）沉积修饰在TNTs 的顶端，并同时 将氧化石墨烯（GO ）还原石墨烯（rGO ），从而最后得到具有肖特基结的复合纳米传感 I 摘 要 材料。TNTs/C N QDs/rGO 复合纳米结构材料具有高的晶间氧空位缺陷，证实了材料的 3 4 表面微观结构对NO2 气敏性能提供了积极的效果，为研制性能优异的气体传感材料提供 了新的方向和思路。 (3) 有机小分子对二氧化钛纳米管阵列进行修饰：有机小分子对金属氧化物半导体 修饰是一种有效的方法来提升气敏材料的响应性能。首先，在TNTs 材料表面修饰硫化 镉量子点（CdSQDs ），利用CdSQDs 的量子点敏化特效以及半导体效应，提升气敏传感 器的响应性能；随后，采用室温水解法，在 TNTs/CdSQDs 结构的表面修饰氨丙基三乙 氧基硅烷 （APTES ），构筑三元TNTs/CdSQDs/APTES 复合材料，利用三种组分的协同 作用，进一步提升了TNTs 材料对NO2 的敏感特性。 关键词：NO2 气体传感器；室温；TiO2 纳米管；氧空位 II Abstract Abstract With the development of the sci