氧化钨纳米片与石墨烯基多级复合纳米材料的构筑与气敏性能研究

1、氧化钨纳米片与石墨烯基多级复合纳米材料的构筑与气敏性能研究本论文以设计零维/二维多级纳米结构、发展高效的构筑方法为重点,针对二维纳米片材料易堆叠、功能单一等问题,以金属氧化物和金属纳米晶为第二相代表,采用微波、光化学还原等化学方法构筑结构可控、组分可调的二维氧化钨、石墨烯纳米片基多级复合纳米结构材料,系统研究了气敏性能,实现了对有毒有害气体低温、低浓度检测的有效调控。首先，以插层化学法合成的二维WO与内米片为基体,采用微波法、光化学还原法等湿化学过程在WO与内米片表面均匀锚固贵金属、金属氧化物纳米晶等第二相,构筑“零维/二维”多级复合纳米结构,系统研究了不同类型第二相纳米晶的含量、颗粒大小、分

2、布等参数对气敏性能的影响规律,分析讨论了相关作用机理。主要内容如下：（1）贵金属修饰WO与内米片多级纳米复合材料及其低温NO气敏性能。采用一般湿化学还原和光化学还原法分别制备了AuWO3AgWO3多级复合纳米材料，贵金属Au>Ag纳米晶的修饰显著提高了对NO气体的响应灵敏度,降低了响应温度。锚固在WO3rt米片表面的Au和Ag纳米晶降低了WO3s材料的电阻，实现了对氧化性气体NO的低温甚至室温下的高效检测。Au纳米晶的含量、粒径和数密度对AuWO3感器的NO敏感性能影响较大：低含量时产生的活性位点较少，高含量时Au纳米晶数密度上升产生的连续趋势降低电阻变化程度；1wt.%AuWO3的复合

3、纳米晶在170c对0.5-10ppm的NOg现出最佳的气敏性能。Ag修饰WO3内米片材料表现出类似的N。向应规律：0.5wt%AgWO3合纳米品在25-200C对低浓度NO气体具有较高的灵敏度和选择性。基体WOg内米晶的形貌显著影响AgWO3感器的NO气敏性能,W03rt米片明显优于纳米颗粒。AuW®3AgW03感器增强的NO®感性能可归功于功能化Au和Ag纳米品的存在和W0与内米片松散的卡片屋聚集结构。（2）多级金属氧化物W03米片异质结构复合材料的设计构筑及其增强的H2s敏感性能。采用微波法快速合成了Fe2O3W03a复合纳米结构并系统研究其H2S响应行为。所得粒径为5

4、-10nm的a-Fe2O3纳米晶均匀锚固于W0与内米片表面，显著提高复合材料的比表面积，其中5%Fe2O3W0畲材料的比表面积高达1207m2g-1,是基体WOg内米片的5.9倍。Fe2O3WO3g器对H2S*有高灵敏度、高选择性和快速的响应和恢复特性，在150c对H2s表现出最佳白气敏性能，对10ppm的H2s灵敏度高达192,是WO3纳米片的4倍。低温H2s气敏性能的增强可归功于a-Fe2O3纳米晶和WO3rt米片在化学组成与微观结构上的协同作用。微波加热过程促进了a-Fe2O3纳米晶在二维WO3内米片上的选择性形核生长,为“零维纳米晶/二维纳米片”多级结构复合材料的构筑提供了一种高效途径

5、。采用微波辅助法合成了In2O3纳米晶修饰WO3rt米片白多级In2O3WQ§合材料,In2O3纳米晶均匀固定于WO3内米片表面，对H2S*有高敏感性和高选择性。In2O3WO3（In/W=0.眺合材料在150c下对10ppm的H2s灵敏度高达143,提高的灵敏度和选择性主要归因于二维WO纳米片和零维In203纳米品之间的协同效应。水热法合成CuOWW纳米晶,实现了对H2s气体的低温甚至室温选择性响应。第二相CuOS米晶均匀锚固于WO与内米片表面，形成大量均匀分布的p-n异质结构。CuCffl米晶的复合改善了WO3内米片对H2s气体的敏感性能，复合纳米晶具有较快的响应/恢复速度和较低

6、的响应温度,灵敏度、选择性显著提高。5wt.%CuOWO®器对H2s气体在100c下对浓度为10ppm的H2s气体的灵敏度高达830，是WO与内米片的16倍；室温下对H2s气体仍有较好响应，响应时间少于3分钟，可用于H2s的室温检测。CuOWOM晶对H2s气体灵敏度和选择性的提高主要归因于CuO与H2s反应生成Cus的催化作用及CuOrt米晶与WO3rt米片之间的协同效应。(3)二元Au/snO2rt米晶修饰WO3内米片得到Au/snO2WO3s多级复合材料及其H2s气体的低温响应性能研究。以SnCl2原位还原HAuCl4制得Au/SnO2WO3合材料,Au/SnO2复合纳米晶均匀锚

7、固于W0电内米片表面，增强了对H2s气体的灵敏度和选择性响应；0.5%Au/SnO2WW纳米晶在50CC下对10ppm的H2s气体的灵敏度高达220,是W03I内米片的28倍。综合考虑灵敏度和响应/恢复速度，Au/SnO2WO3感器的最佳作温度约为150C,低温下Au/SnO2WOB材料对H2s的高灵敏性和高选择性归因于Au/SnO2纳米晶和超薄W03I内米片多级复合结构在气体分子的扩散、吸附、反应中的协同效应。其次,由于微波辅助加热时的选择性和非热效应,促使第二相纳米晶在二维吸波性基体材料表面的异相形核、快速生长并均匀锚固,可得到第二相纳米晶粒径可控、均匀分布的高比表面积、“零维二维”多级结

8、构复合材料。作为拓展应用,本文以石墨烯为基体,微波辅助原位合成sn02第二相纳米晶构筑了Sn02/还原氧化石墨烯(rGO)多级复合纳米结构，证实了微波法在多级复合纳米晶构筑方面的广泛适用性。主要内容如下：以Sn2璃子和氧化石墨为起始物，采用微波辅助原位氧化还原，成功制备了多级SnO2rG裳合纳米结构。SnO宠内米晶粒径为3-5nm,均匀锚固于rGO纳米片表面。所得SnO2质量百分比为92%勺SnO2rGO级纳米结构的比表面积高达2110.9m2g-1以所得SnO2rGO米结构为活性组元的传感器对H2s气体具有显著提高的灵敏度、选择性和快速响应/恢复特性。SnO2rGO米结构还可用做电活性材料,对日落黄色素具有良好的电催化传感性能。SnO2rGO强的气敏和电