锰掺杂TiO2纳米管阵列的制备与气敏性能研究开题报告

 2020-02-10 11:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

工业社会的不断发展与人们的生活水平不断提高,导致近年来全国各地雾霾等现象频繁出现,严重地影响了人们的生产和生活。因此,如何有效的检测并防治雾霾引发了科学界乃至社会人士的高度关注。研发高灵敏度、高选择性、高稳定性和快速响应恢复的气体传感材料对污染防治和危险防范具有重要意义。

TiO2 是重要的气敏材料,不同晶型的 TiO#8322; 禁带宽度范围为 3.0 eV(金红石)到 3.2 eV(锐钛矿),属于典型的 N 型半导体[1]。其中锐钛矿相的 TiO#8322;光电化学特性比较突出,与还原性物质或者氧化性物质都可能结合发生化学反应,且化学稳定性较好,无毒,成本低,因此在气敏传感器、太阳能电池和光电催化方面有较多研究和应用。这种材料对多种气体都具有出色的灵敏度和选择性[2], 如 H2[3]、NO2[4]、NOx[5]、CO [6]、NH3 [7]、H2S[8] 和挥发性有机化合物 (即甲醇、乙醇、丙醇[9]和丙酮[10])。

气敏材料的敏感机理是基于在一定条件下,当遇到特定气体时,其物理化学性质会随着外界气体种类和浓度的变化而变化,从而实现各种气体的检测[11]。一般认为 N 型半导体氧化物的气敏机制是表面吸附控制型机制。气敏器件被加热到稳定状态下,当气体接触器件表面而被吸附时,吸附分子首先在表面自由地扩散(物理吸附)失去其运动能量,其间的一部分分子蒸发,残留分子产生热分解而固定在吸附处(化学吸附)。遇到氧气和氮氧化物等氧化性气体时,表面就会失去电子,被吸附的氧俘获,氧吸附的结果使电阻增;而与氢气和一氧化碳等还原性气体接触时,与 TiO2 半导体表面吸附态的氧离子反应,向表面释放电子,减弱了晶粒间界处氧负离子造成的电子运动势垒,气敏材料的电导率增加,则电阻降低[12,13]

TiO2 纳米管阵列是由高度有序的纳米管定向排列而成的膜材料且尺寸可控,比表面积高。和其他形态的纳米粉体材料和纤维材料相比,TiO2 纳米管阵列膜有更好的吸附能力和传输通道。 2001年,Grime课题组[14]首次利用阳极氧化法在钛片基底表面制备出了高度有序的 TiO2 纳米管阵列。2003 年,Varghese 等[15]在厚为 0.25 mm 的纯钛箔上,利用阳极氧化法,通过改变阳极电位得到了不同尺寸的纳米管阵列,并检测到了 TiO2 纳米管阵列对氢气的高灵敏度。

TiO2 作为气敏材料成本低、寿命长、响应/恢复速度快,但是工作温度较高。

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