锐钛矿型TiO2(101)面吸附CO2分子的光学气敏传感机理

对金属氧化物光学气敏传感材料TiO2的探索与应用是当前研究的热点问题。采用基于密度泛函理论(DFT)中的平面波超软赝势方法, 模拟计算CO2分子在锐钛矿型TiO2(101)表面的吸附行为, 对吸附能, 吸附距离, 电子态密度以及光学性质进行分析。结果表明: CO2分子在含O空位表面的吸附效果优于无氧空位表面, 且表面O空位的浓度越高, 吸附效果越明显;分子平行于表面放置模型的吸附能为正值, 吸附后的结构稳定, 且以O端吸附为主, 为此, 分子平行于表面放置O端吸附于含两个O空位表面为最可能吸附模型;对电子态密度分析发现, 当最佳模型吸附稳定后, 含O空位表面为P型杂质, 又有CO2分子中的2p电子掺入, 在费米能级附近出现新峰值, 改善了TiO2材料的光学性质, 体现出较好的光学气敏传感特性。     

N/Rh共掺杂金红石TiO_2表面对CO气体光学气敏传感特性的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法计算了金红石TiO_2(110)纯净表面以及掺杂N、掺杂Rh和N/Rh共掺表面吸附CO分子后的光学气敏传感特性。研究发现:纯净和掺杂表面吸附CO分子后均表现出光学气敏传感特性,其原因是表面氧空位的氧化作用;而N/Rh共掺杂对表面氧化性改善得最多,吸附CO分子后吸附距离最小,吸附能最大,稳定性最好,且易于实现。因此,相比于纯净及单掺杂体系,N/Rh共掺杂表面对气体有更好的光学气敏传感效应,是一种改进TiO_2光学气敏传感材料的良好方式。     

卤化氢气体在二氧化钛表面的吸附及氧空位氧化特性研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,研究了卤化氢气体(HX,X=F、Cl、Br)在二氧化钛表面吸附和氧空位氧化特性。计算结果显示:1)含有氧空位表面更容易吸附卤化氢气体,吸附方式为化学吸附,其中HF和HCl被表面氧空位还原,而HBr被表面氧空位氧化,吸附的稳定程度顺序为HFHBrHCl;2)吸附卤化氢气体分子能极大地改善二氧化钛(110)表面的光学特性(包括介电常数、吸收系数和反射率等),改善能力顺序为HFHBrHCl。     

微波辅助合成纳米WO_3/TiO_2复合材料及其气敏性能

为改善WO3基敏感材料的气敏性能,采用微波回流法一次性合成了纳米WO3/TiO2复合材料,并研究TiO2掺杂量对用其制备的气敏元件气敏性能的影响。结果表明:此气敏元件对体积分数为100×10-6的NOx、二甲苯、H2S和丙酮气体具有较强的敏感性,掺杂w(TiO2)为20%的元件,对H2S和NOx的灵敏度分别为31.18和695.84;掺杂w(TiO2)为30%的元件,对二甲苯和丙酮的灵敏度分别为39.19和35.69。     

氧分压影响SnO_2气敏传感器响应的机理

本文报道了一种SnO_2气敏传感器敏感机理的新模型。SnO_2晶粒表面势垒由3个过程控制:(1)氧吸附(作电子受主)和脱附,(2)还原性气体吸附(作电子施主)和脱附,(3)表面氧化还原反应。据此可以很好地解释实验中发现的氧分压对气敏传感器响应的影响。     

La_2O_3-SnO_2材料乙醇气敏性能与催化活性间关系

通过测量La2O3-SnO2的气敏性能和催化活性,考察了La2O3对SnO2气敏性能和催化性能的影响,同时讨论了该材料对甲烷(CH4)和乙醇(C2H5OH)的灵敏度与其催化氧化反应间的关系。结果表明:300℃时,掺杂w(La2O3)为3%时,可使乙醇的转化率从84.5%提高到100%,对体积分数为1×10-4的乙醇的灵敏度由11.06提高到53.22。说明目标气体的反应活性越高,其灵敏度也越高。掺杂La2O3提高乙醇气体的灵敏度的原因是因为增加了SnO2表面乙醇反应中的耗氧率。     

氧分压影响SnO2气敏传感器响应的机理

本文报道了一种SnO₂气敏传感器敏感机理的新模型。SnO₂晶粒表面势垒由3个过程控制:(1)氧吸附(作电子受主)和脱附,(2)还原性气体吸附(作电子施主)和脱附,(3)表面氧化还原反应。据此可以很好地解释实验中发现的氧分压对气敏传感器响应的影响。     

MQS1型一氧化碳气敏元件

氧空位与材料的气敏特性有着密切的关系，气敏材料的电导率由氧空位的形成和氧化过程共同决定，氧空位浓度越大，气敏效应越明显。根据氧化锡的这一气敏机理，以９９．９９％的锡为原料，掺入合适的添加剂，制成了ＭＱＳ１型一氧化碳气敏元件。它的灵敏度高、选择性好、响应恢复快、受温度和湿度的影响小。     

基于第一性原理的单层SnSe2二维薄膜的气敏效应

为探索SnSe2二维薄膜材料的气敏特性,采用分子力场方法系统地研究了SnSe2二维单层材料对H2,CO,NH3及NO2等4种典型气体分子的最优吸附位置和吸附能力,并基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法计算了吸附前后的键长键角变化率、能带结构、态密度及电荷差分密度等参数,分析了吸附前后的电子结构变化与气敏效应之间的内在关联。计算结果发现,吸附H2和CO未能对SnSe2单层的能带结构和电子结构产生改变,而NO2和NH3却在导带底(CBM)和价带顶(VBM)之间分别产生了新的杂质能级,并使费米能级发生位移,从而改变SnSe2单层电子结构。电荷差分密度分析进一步表明SnSe2二维单层未能对H2和CO产生响应,而对NH3和NO2却有明显的气敏效应,其中对NO2有良好的敏感性能和选择性。     

氧化钨基室温气敏传感器的研究进展

氧化钨(WO_3)基半导体气体传感器对NO_2等气体具有较好的气敏特性。为了将传感器工作温度降低至室温,研究者们尝试了各种方法,如合成新型纳米材料、紫外光和可见光照射等。主要介绍了近年来WO_3基气敏材料在室温条件下其气敏性能的最新研究进展,展现了近年来WO_3基室温气体传感器的最新研究成果。并提出通过合成具有p-n异质结构的材料、开发新型纳米结构、增加材料中氧空位浓度以减小材料带隙宽度有可能是WO_3室温气体传感器下一下阶段的研究重点。     

Sb∶SnO2/SiO2纳米复合薄膜的光学及气敏特性

采用溶胶 凝胶 (sol gel)工艺制备了Sb∶SnO2 /SiO2 复合膜。通过原子力显微镜 (AFM )观察了薄膜样品的表面形貌 ,利用紫外 可见光谱 ,p 偏振光反射比角谱研究了复合薄膜的光学特性。结果表明 ,薄膜中的晶粒具有纳米尺寸 (～ 35nm)的大小 ,比表面积大 ,孔隙率高 ;薄膜的透光率高 ,可见光波段近 95 % ;其光学禁带宽度约 3 6 7eV。因此Sb∶SnO2 /SiO2 纳米复合膜可作为气敏薄膜的理想选择。通过对三种不同的气体C3 H8,C2 H5OH及NH3气敏特性的测试表明 ,Sb掺杂大大提高了SnO2 薄膜对C2 H5OH的灵敏度 ,纳米Sb∶SnO2 /SiO2 复合膜的气敏灵敏度高于纯SnO2 薄膜及Sb掺杂的SnO2 薄膜     

Sb：SnO2／SiO2纳米复合薄膜的光学及气敏特性

采用溶胶-凝胶(sol-gel)工艺制备了Sb：SnO2／SiO2复合膜。通过原子力显微镜(AFM)观察了薄膜样品的表面形貌，利用紫外-可见光谱,p-偏振光反射比角谱研究了复合薄膜的光学特性。结果表明，薄膜中的晶粒具有纳米尺寸(～35nm)的大小，比表面积大，孔隙率高；薄膜的透光率高，可见光波段近95％；其光学禁带宽度约3．67eV。因此Sb：SnO2／SiO2纳米复合膜可作为气敏薄膜的理想选择。通过对三种不同的气体C3H8，C2H5OH及NH3气敏特性的测试表明，Sb掺杂大大提高了SnO2薄膜对C2H5OH的灵敏度，纳米Sb：SnO2／SiO2复合膜的气敏灵敏度高于纯SnO2薄膜及Sb掺杂的SnO2薄膜。     

SrTiO3氧气传感器的贵金属催化特性研究

对于SrTiO3氧气传感器,氧离子在材料表面的吸附控制着材料表面电导率的变化,所以吸附和脱附速率决定氧敏材料的响应时间.研究表明,贵金属作为表面催化剂,可加快气体分子的吸附和脱附速率,提高气敏元件的响应特性.该文在SrTiO3的n型掺杂基础上,加入贵金属Pd作为表面催化剂.实验结果表明,以Pd作为催化剂的样品,其响应时间缩短,接近气体传感器的实用要求.     

双层结构TiO2-WO3气敏薄膜特性的研究

用直流反应磁控溅射法制备了TiO2-WO3双层结构的气敏薄膜,进行了薄膜微结构和化学成分分析,研究了TiO2表面层对WO3气敏特性的影响。实验证明:当TiO2膜厚为30 nm时,WO3薄膜对NO2敏感特性得到改善,TiO2-WO3结构的薄膜对空气中较低浓度的NO2(体积分数为(1~3)×10-5)具有优异的敏感特性和响应特性。最适宜的工作温度为120℃,在一些气体(如CO、H2S、C2H5OH、H2)中对NO2的选择性也大大提高。     

二氧化钛掺杂系统的电子结构和光学性质的研究

采用总能量平面波赝势方法研究了Sc掺杂、含氧空位、氧空位与Sc掺杂共存时的锐钛矿TiO2系统的电子结构和光学性质。结果表明,Sc掺杂对系统的主要贡献在价带区,在可见光区有明显的光吸收;氧空位可以使系统发生莫特相变,系统在可见光区也有较强的吸收;氧空位与Sc掺杂共存时系统在可见光区的吸收相干加强。     

紫外光照下WO_3的H_2S气敏特性研究

以热氧化钨丝法制备的WO3纳米材料为基材制备了厚膜气敏元件,在常温、紫外光激发条件下实验测试了所制纯WO3气敏元件对不同体积分数的H2S气体的气敏特性曲线,探讨了元件对H2S的灵敏度与紫外光的辐射通量密度的依赖关系。结果表明,常温、无紫外光照下WO3气敏元件对H2S不敏感,而在常温及紫外光激发下WO3气敏元件对H2S的灵敏度显著增大,且随着紫外光辐射通量密度增加,元件对H2S的灵敏度先增大而后减小。     

ZnO/TiO2多层薄膜氨气敏光学特性研究

介绍用SG法制备了ZnO/TiO2多层薄膜的方法,研究了在几种还原性气体中的气敏透射光谱,发现其对氨气具有优良的选择性,且其光学透过率在一定浓度范围内随氨蒸气浓度增加而显著地单调上升,敏感波段扩展到整个可见光区域。这是一种有实用价值的气敏光纤传感材料。讨论了该多层薄膜的气敏光学机理和高选择性的机理。     

基于密度泛函理论的单层MoS2纳米材料气敏性能研究

针对由于本征单层二硫化钼纳米材料气敏性能差故不能用作气敏探测的问题,文中采用铝原子替位掺杂材料表面硫原子的方法,改善了材料表面无悬挂键的固有缺陷,从而提升了气敏性。通过对基底进行形成能和电子结构的计算,发现了材料导电性能的提升并证实了掺杂处理实验的可操作性。对其表面进行气体分子的吸附计算的结果显示材料的气敏性能获得极大提升,尤其对于氨气分子,吸附能达到-2.31 eV,电子转移提升至0.38e,吸附长度减小至1.978 ?,证明材料对氨气具有良好的选择性。     

CeO2气敏材料的研究进展

二氧化铈(CeO2)具有独特的萤石型晶体结构、优秀的储放氧能力、良好的化学稳定性以及高温下氧空位的快速扩散能力,在有毒有害气体检测方面被广泛关注和研究。然而,纯CeO2气敏传感器工作温度偏高且响应恢复时间长,无法满足越发严苛的实际环境监测需求。综述了近年来国内外关于纳米CeO2气敏材料相关研究进展,根据不同的机理从结构调控、掺杂复合两个方面重点对CeO2的改性进行分析,简述了其在柔性传感领域的应用,为高性能气敏传感器的深入研究提供参考。     

基于TDLAS的H2S气体材料表面吸附特性研究

在H2S气体浓度在线监测过程中,因其具有粘附性强的特点,容易发生管线吸附,从而导致测量结果存在偏差,尤其在痕量H2S检测过程中表现最为明显,所以开展H2S气体管线材料表面吸附特性研究尤为必要。本文基于可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS),设计并搭建了一套H2S浓度在线测定系统,并对该系统进行了测量性能检验,在此基础上进行了H2S在不锈钢材料表面常温吸附特性探究。实验结果表明,所搭建H2S浓度在线测定系统具有稳定性强、检测限低和灵敏度高的特点,利用此系统可以实现痕量H2S浓度的在线连续测定。经过一系列探究试验,证明了H2S在不锈钢材料表面存在明显且稳定的吸附作用,得出了H2S在不锈钢材料表面的单位面积吸附量在1014(个/cm2)量级。实验结果可以为痕量硫化氢在线精准测量提供一定参考。