Fe_2O_3纳米纤维的结构设计及其传感特性研究

【摘要】随着社会经济的飞速发展，环境问题也变得日益严重，特别是空气质量问题，已经严重影响到人们的日常生活。为了对易燃易爆气体和室内外常见的有毒有害气体进行实时检测，气体传感器发挥了重大的作用，有效地服务于人们的日常生产和生活中。Fe2O3是一种常见的，结构稳定的金属氧化物材料。它具有优良的物理化学性质，在电池、色素、光电解、磁存储、催化剂、药物疏导和气体传感器等方面发挥着重大的作用。在气体传感器领域，它作为气敏材料已经被用来检测多种气体。但对于纯的Fe2O3材料而言，它的气敏性相对来说比较差，很难满足人们在日常生活中的需要。为了提高材料的敏感性能，研究者通常对敏感材料进行单一的掺杂、低维化或造孔等方面的研究，将它们结合起来应用于气敏材料的报道很少，而将材料合成工艺与器件制作相结合的研究更少，而这些方面恰恰是气体传感器应用开发的至关重要的研究。据研究表明，基于金属氧化物半导体纳米纤维制成的气体传感器有着更加优异的气敏性能，具有很好的应用前景，现已成为当下研究的热点。本文以静电纺丝法为平台，以Fe2O3材料为研究对象，通过调节电纺前驱体溶液中各原材料之间的配比以及采用掺杂的方法设计制备出具有不同形貌和结构的和掺杂的Fe2O3纳米纤维，旨在通过调控结构和组成来提高Fe2O3纳米材料的气敏性能。具体内容如下：1.对一维纳米金属氧化物半导体材料Fe2O3的结构进行设计与调控，制备出不同形貌的一维纳米纤维材料，并对其气敏特性进行了研究。通过调节Fe(NO3)3·9H2O，PVP，DMF和乙醇等前驱体溶液原材料之间的配比，利用静电纺丝法合成了PVP/Fe(NO3)3复合纤维，经高温处理后分别得到管状和管中管状α-Fe2O3纳米纤维材料。将这两种材料制成气体传感器，研究发现其对丙酮均展现出气敏特性。基于管状和管中管状α-Fe2O3纳米纤维材料的气体传感器在240°C最佳工作温度下对500ppm丙酮气体的灵敏度分别为3.5和9.3，响应/恢复时间分别为3/5s和2/5s。2.对一维纳米管金属氧化物Fe2O3进行了金属元素掺杂，并以其为敏感材料制作了气敏元件，研究了其气敏特性。利用静电纺丝法分别向Fe2O3纳米材料中掺入不同比例的La和Ce，并研究掺杂后复合材料的气敏性能的变化。结果表明在掺入不同比例La中，掺7wt%La的α-Fe2O3纳米管拥有最好的气敏性能。它在240°C时对50ppm丙酮的灵敏度达到了26.1，是纯α-Fe2O3纳米管对同浓度丙酮的灵敏度的10倍，且响应恢复时间分别为3秒和10秒。它对丙酮气体的最低检测极限能达到1ppm，灵敏度为2.64。在掺入不同比例Ce中，掺入4at%Ce的α-Fe2O3纳米管拥有最佳的气敏性能。它在240°C时对50ppm丙酮的灵敏度达到了21.5，是纯α-Fe2O3纳米管对同浓度丙酮的灵敏度的8.3倍，且响应恢复时间分别为3秒和8秒。它对丙酮气体的最低检测极限能达到1ppm，灵敏度为3。此外，基于掺7wt%La的α-Fe2O3纳米管和基于掺4at%Ce的α-Fe2O3纳米管的气体传感器对丙酮气体均具有良好的选择特性和长期稳定性。3.制备出复合金属氧化物材料以提高材料的气敏性能。利用静电纺丝法分别向Fe2O3材料中掺入了一定量的SnO2或In2O3制备出复合金属氧化物材料来研究复合材料的气敏性能。结果表明对于基于SnO2-Fe2O3复合纳米材料的气体传感器而言，它分别在260°C和220°C下对甲苯和甲醛表现出优异的气敏特性。在260°C下，该传感器对50ppm甲苯的灵敏度为25.3；对1ppm甲苯的响应/恢复时间为5/11s；对甲苯的最低检测极限为50ppb（灵敏度为2.0）。在220°C下，该传感器对50ppm甲醛的灵敏度为25.4；对甲醛的最低检测极限为1ppm（灵敏度为3.2）。对于基于In2O3-Fe2O3复合纳米材料的气体传感器而言，它分别在240°C和260°C下对丙酮和甲醛表现出优异的气敏特性。在240°C下，该传感器对100ppm乙醇和丙酮的灵敏度分别为6.8，25，对丙酮的灵敏度约为对乙醇的灵敏度的3.7倍；对100ppm乙醇和丙酮的响应/恢复时间分别为2/4和3/6s；对丙酮气体的最低检测极限能达到1ppm（灵敏度为3.5）。在260°C下，该传感器对50ppm甲醛的灵敏度为9.8，是纯Fe2O3对甲醛的6.5倍；对甲醛的最低检测极限为1ppm（灵敏度为1.8）；对1，5，10，20，50和100ppm的甲醛气体的响应/恢复时间分别为2/3，3/3，4/5，4/5，4/7s。
【作者】陕皓；
【导师】刘丽；
【作者基本信息】吉林大学，光学工程，2014，硕士
【关键词】静电纺丝；Fe2O3；纳米材料；气体传感器；气敏特性；

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