ZnO@ZIFs复合材料制备及其气体传感器检测特性研究.pdfVIP

ZnO@ZIFs复合材料制备及其气体传感器检测特性研究.pdf

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中文摘要 摘 要 气体传感技术是检测变压器油中溶解故障特征气体的关键,持续研究气体检 测传感器技术,提升传感技术的可靠性和稳定性,对变压器故障特征气体的长期 可靠检测具有重要意义。纯ZnO 半导体材料虽然对变压器油中溶解故障特征气体 均敏感,但其灵敏度、选择性、稳定性等气敏性能亟待提高。复合是提高气敏材 料性能的有效手段之一。ZIFs(咪唑酯骨架材料)具有超大的比表面积、超高的孔隙 率、良好的热稳定性、固定的气体通道等特点,研究复合ZIFs 材料的ZnO 气体传 感器气敏性能,对提升ZnO 基气敏传感器性能、加快其应用具有重要意义。 论文制备了棒状纯ZnO 、球状纯ZnO 、棒状ZnO@ZIF-8、球状ZnO@ZIF-8、 球状ZnO@ZIF-71 五种气敏材料,利用X 射线衍射(XRD) 、扫描电子显微镜(SEM)、 透射电子显微镜(TEM)、X 射线电子能谱(XPS)和 X-射线能量色散谱(EDS)对所制 备材料的物相组成、微观形貌、内部结构、元素组成进行表征分析。将五种材料 制备成平面型旁热式气敏传感器,测试其气敏性能,并分析 ZnO@ZIFs 复合材料 气敏性能提升原因。论文的主要工作和取得的结论有: ① 在导电玻璃基片上制备氧化锌晶种层,然后通过水热法基于晶种层制备棒 状纯ZnO ;采用简单的一步水热法制备了球状纯ZnO ;分别以球、棒状纯ZnO 为 模板和Zn2+源,通过水热反应使ZIF-8、ZIF-71 二次生长在纯ZnO 表面,分别获 得棒状ZnO@ZIF-8、球状ZnO@ZIF-8、球状ZnO@ZIF-71 复合材料;通过XRD 表征上述材料,分别确定了纤锌矿氧化锌、氧化锌与ZIF-8、氧化锌与ZIF-71 的物 相组成,且发现棒状纯ZnO 暴露(100) 晶面更多,球状纯ZnO 暴露的(002) 晶面更 多;综合分析SEM、TEM、XPS 等表征结果,发现棒状纯ZnO 直径约为320~500 nm ,球状ZnO 内有空腔、疏松多孔,棒状ZnO@ZIF-8 是由几十根纯ZnO 棒被ZIF-8 包裹而形成的胶囊状核壳材料,因此直径尺寸增大到微米级,内核为纯 ZnO ,外 壳为ZIF-8,球状ZnO@ZIF-8 和ZnO@ZIF-71 是具有核壳结构的微米球,其内壳 均为纯ZnO ,外壳分别为ZIF-8、ZIF-71 。 ② 将棒状纯ZnO 、球状纯ZnO 、棒状ZnO@ZIF-8、球状ZnO@ZIF-8、球状 ZnO@ZIF-71 五种材料制备成气敏传感器并测试其气敏性能,测试结果表明:工作 温度-灵敏度特性方面,ZIFs 材料的复合降低了纯ZnO 的最佳工作温度;气体浓度 -灵敏度特性方面,ZnO@ZIFs 复合材料较纯ZnO 具有更好的灵敏度,且在低浓度 区域内浓度曲线的线性度更好;响应-恢复时间特性特性方面,ZnO@ZIFs 复合材 料较纯 ZnO 的响应-恢复时间长,这主要是外壳的阻碍作用造成的;选择性方面, 由于主要暴露晶面不同,棒状纯ZnO 和球状纯ZnO 分别对H 、C H 更敏感,由 2 2 2 I 重庆大学硕士学位论文 于内核材料、ZIFs 外壳孔径尺寸及 ZIFs 气体吸附特性的不同,棒状 ZnO@ZIF-8 对H 选择性好,球状ZnO@ZIF-8 对C H 选择性更好,ZnO@ZIF-71 材料气敏选 2 2 2 择性没有复合ZIF-8 好。 ③ 分析了复合ZIFs 材料ZnO 气敏传感器性能提升的原因。复合ZIFs 材料提 高纯ZnO 灵敏度的原因有:在ZnO 表面直接二次生长ZIFs ,晶格错位使ZnO@ZIFs 复合材料交界面处产生了更多的缺陷,提高了吸附氧数量;ZIFs 高孔隙率和内部 化学键特性使其对测试气体尤其是H2 具有优异的富集作用;微米级别的材料尺寸 降低了材料初始电阻;复合使材料界面形成异质结,降低了交界处的禁

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