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常用的简单氧化物气敏材料灵敏度偏低,选择性较差。因此,通过掺杂和复合技术改进简单氧化物气敏性能的研究成为传感器领域多年来的研究热点。目前,气体传感器可大致分为SnO2系、ZnO系、WO3系、Fe2O3系及近年来发现的具有特定结构的复合氧化物等,研究Fe2O3系列传感器的气敏性能具有重要的现实意义。
本文对Fe2O3氧化物气敏材料近年来的研究、发展及应用情况作了较全面的总结和评述,并对Fe2O3气敏材料进行了系统研究。实验部分制备了纯的和掺杂不同金属离子的Fe2O3和复合氧化物并研究了其气敏性能。分别采用均匀沉淀法、溶胶凝胶法、柠檬酸溶解热解法制得纯的Fe2O,采用水热法制得Ni掺杂α-Fe2O3气敏材料和Ni2FeO4尖晶石型复合氧化物光催化剂,采用溶胶凝胶法制得掺杂La2O3的Fe2O3材料和LaFeO3复合氧化物。利用XRD、TEM、SEM等手段对粉体的粒度、晶体结构、形貌等进行了分析。研究了不同制备方法、煅烧温度、工作温度、气体浓度及掺杂量对气敏性能的影响。
实验结果表明,采用溶胶凝胶法制得的材料对对乙醇响应最好,工作温度为225℃时,对汽油的灵敏度为26.2。在工作温度175℃时,灵敏度为26.9,可以实现同一元件在不同温度监测不同气体。柠檬酸溶解热解法制得的Fe2O3材料选择性最好,在工作温度为250℃时,仅对汽油有响应,对汽油的灵敏度为15.38。为了进一步提高材料的气敏性能,采用水热法和溶胶凝胶法制备了Ni和La掺杂的Fe2O3。水热法制备的Ni掺杂α-Fe2O3600℃煅烧后对H2S的灵敏度提高到122,选择性也能满足实际应用需要,响应时间为5s,恢复时间为14s。溶胶凝胶法制备La掺杂的γ-Fe2O3在掺杂量为5%时,气敏性能最好,对NO2气体的灵敏度为105。随着La掺杂量的增加,可以提高γ-Fe2O3转变为α-FeO3的相转变温度。溶胶凝胶法制备的LaFeO3复合氧化物,在600℃比800℃煅烧后的气敏性能更好,这可能随着煅烧温度提高使得部分颗粒间有团聚现象,粉体半径变大所引起的。在工作温度295℃时对100ppmH2S气体的灵敏度提高到141.6。对10ppm的H2S气体的灵敏度达到13。