多肽调控氧化物半导体材料的合成及其NO2气敏特性研究.pdfVIP

摘要

二氧化氮(NO)是一种有毒有害气体，吸入人体会损害呼吸道。引起肺水肿

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呼吸窘迫综合征，严重的会出现肺纤维化，导致人体死亡。金属氧化物半导体对

二氧化氮表现出良好的气敏性能，但是目前的金属氧化物半导体传感器仍然有工

作温度高、反应时间长、选择性差等缺点。多肽作为一种生物分子，其在生物矿

化方面已经越来越受到关注，而且能够介导合成无机物。本文以金属氧化物半导

体氧化锌、氧化铟为研究对象，在此基础上对其改进修饰并结合多肽合成气敏材

料，改善气敏性能。论文主要内容包括：

1.使用简单水热方法，在多肽的调控下制备出氧化锌(ZnO)材料。使用不同

的原料合成三种不同形貌的ZnO材料，通过扫描电子显微镜(SEM)可以看出，加

入多肽的ZnO相较于未加入多肽的有明显的不同，三种材料分别呈现出棒状、

花状、针状结构。通过X射线衍射(XRD)分析所有样品都为ZnO六方纤锌矿结

构，无其他杂质峰谱，晶体结晶度良好。对ZnO材料进行NO2气敏测试发现加

入多肽的ZnO材料相较于未加入多肽的材料都有提升，这是因为加入多肽后材

料结晶度好有更多的接触位点所致。加入多肽的棒状结构ZnO响应相较于其他

几种材料有较高响应，对25ppmNO2的响应值为13，主要原因是其比表面积较

大，与气体反应较充分。

2.使用水热法，在多肽调控下合成氧化锌-氧化铟(InOZnO)复合材料。为

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了进一步提高上述ZnO材料的气敏响应，我们使用复合材料制备气敏传感器。

首先制备多肽自组装溶液备用，通过一步水热法，在反应溶液中加入多肽自组装

溶液合成复合材料前驱体，经过退火后得到InOZnO复合材料，将复合材料喷

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涂在叉指电极上制备得到气敏传感器。对NO2的气敏测试发现复合材料相较于

单一材料气敏响应有较大提升，且加入适量多肽的组份相较于未加入多肽的组份

有所提升，但多肽加入过多时，气敏反而响应下降。通过对材料表征和气敏测试

分析，加入10ml多肽的InOZnO复合材料有最佳响应，在20ppmNO下响应

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为160，且具有较好的选择性和重复性。

3.使用两步水热法，在多肽调控下合成氧化铟-银（InO/Ag）复合材料。近

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些年的研究表明贵重金属粒子Au、Ag等在气敏反应中起到一定的催化作用，能

够提高气敏材料的气敏性能。我们通过两步水热法，先合成InO，然后在合成

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Ag纳米粒子的过程中加入InO，使用多肽调节得到InO-Ag的复合材料。SEM

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和XRD图可以看出InO呈现立方体结构，Ag附着在InO立方体表面。Ag粒

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子的加入有利于增加活性吸附点位，且加入多肽的组份中Ag纳米粒子形貌有所

变化，说明多肽在Ag纳米粒子的合成过程中有一定的催化和还原作用，而且能

够调控Ag的形貌结构。气敏测试结果可以看出，加入多肽的材料有较高的响应

提升，加入20mg多肽的组份（InO/Ag-20）的传感器在20ppmNO条件下响应

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值