钴酸镧基一氧化碳传感器的研究

钴酸镧基一氧化碳传感器的研究

一氧化碳(CO)是一种无色无味、有毒、易燃易爆且在工业生产与生活中普遍存在的重要气体。因此,使用CO气敏传感器及时准确地对CO进行监测非常必要。至今研究的CO传感器大多工作温度在250℃以上,使得能耗大、成本高,而且还存在发生爆炸事故的隐患。因此,低温甚至室温用CO传感器具有更为巨大的应用前景。本研究以复合金属氧化物材料LaCoO3作为研究体系,以提高CO传感器的灵敏度、降低工作温度、开发低温(室温)用CO传感器为目的,分别采用固相合成、化学共沉淀、静电纺丝等方法合成不同形貌的LaCoO3材料,并对其进行了元素掺杂(Fe、Nd)和贵金属(Pd、Ag量子点)修饰,考察其对CO气体的敏感性能,探究了形貌改变、元素掺杂、贵金属修饰对LaCoO3基材料CO气敏性能改善尤其是对降低工作温度的影响。此外,还研究了 LaCoO3基材料对于CO气体的气敏响应机理。本文第一章介绍了 CO传感器的研究意义、应用背景及种类,介绍了金属氧化物半导体型CO传感器的气敏响应机理与研究现状,分析了 CO传感器的发展趋势与性能指标。同时,总结了 LaCoO3的基本性质、合成制备方法以及掺杂研究。本文第二章列出了实验所需的化学试剂和仪器设备,并介绍了研究过程中所采用的各类表征方法。本文第三章采用固相合成法制备了 LaCoO3颗粒,并以此为原料利用传统的丝网印刷工艺制备了 LaCoO3厚膜CO传感器,验证了 LaCoO3材料优异的CO气敏性能与低温工作潜质,并研究了 LaCoO3材料的CO气敏响应机理:O2吸附于LaCoO3表面解离成原子氧,与吸附CO发生氧化反应生成CO2

和CO32-。在此反应过程中释放出电子减少了载流子空穴浓度,使材

料电阻增加形成响应。本文第四章采用化学共沉淀法合成了颗粒分散、尺寸均匀(粒径82nm左右)的LaCoO3纳米颗粒,并以此为原料制备了

厚膜CO传感器。此方法合成的LaCoO3纳米颗粒尺寸小、表面吸附

O22-/O-多,因而表现出了优异的CO气敏性能,将LaCoO3基CO传感器的工作温度降低至100°C。本文第五章采用静电纺丝法合成了LaCoO3多孔纳米线,并采用滴涂PdCl2溶液的方式对其进行修饰制备了 Pd修饰LaCoO3多孔纳米线CO传感器。探究了静电纺丝及煅烧工艺对纳米线形貌的影响,制备出直径为200-800nm,晶粒粒径为

30-60nm的LaCoO3多孔纳米线。Pd修饰LaCoO3多孔纳米线CO传感

器不仅有较高的气体接触面积,且其表面的Pd也提供了更多的吸附

位点与反应位点,促进了 O2的化学吸附以及吸附氧与CO间的反

应,LaCoO3基CO传感器的工作温度降低至60℃。本文第六章为了进

一步提高LaCoO3基CO传感器的气敏性能、提高响应度、降低工作温度,我们对其进行了固溶掺杂。我们采用化学共沉淀法合成了一系列

成分的 LaCo1-xFexO3(x =

0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1)固溶物纳米颗粒,采用

滴涂工艺制备了 CO传感器,并研究了 Fe掺杂量对传感器CO气敏性

能的影响。结果表明,LaCo0.3Fe0.7O3(x = 0.7)成分的低温CO气敏

性能最好,并成功将LaCo03基CO传感器的工作温度降低至50℃。本文第七章在LaCo0.3Feo.7O3成分的基础上,对其进行A位固溶掺杂和贵金属修饰。采用化学共沉淀法合成了一系列成分的

La1-xNdxCo0.3Fe0.7O3(x =

0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1)固溶物纳米颗粒并制

备了 CO传感器,研究了 Nd掺杂量对传感器CO气敏性能的影响。结果表明,La0.7Nd0.3Co0.3Fe0.7O3(x = 0.3)成分的低温CO气敏性能最好,其将LaCoO3基CO传感器的工作温度降低至室温(无加热)。我们分析了 LaCoO3基材料在室温下的CO气敏响应机理:与高温下不同,材料表面发生CO得电子生成O-和C单质的反应,增加了载流子空穴浓度,从而使材料电阻减小形成响应。最后,我们制备了 Ag量子点并用其对La0.7Nd0.3Co0.3Fe0.7O3固溶物传感器进行了修饰,Ag量子点的修饰提高了传感器的CO气敏性能。第八章对全文进行了总结。本文通过不同方法合成不同形貌的LaCoO3,对其进行掺杂(Fe、Nd)和贵金属(Pd、Ag量子点)修饰,获得了高灵敏度的CO传感器并将其工作温度降低至室温。同时对LaCoO3基材料的CO气敏响应机理做了解释。