【摘 要】
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随着当代工业和科技的快速发展,如何对有毒有害气体、易燃易爆气体进行有效的监测成为人们日益关心的领域。以气敏材料为核心,并在此基础上发展出的气敏传感器在日常生活中使
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随着当代工业和科技的快速发展,如何对有毒有害气体、易燃易爆气体进行有效的监测成为人们日益关心的领域。以气敏材料为核心,并在此基础上发展出的气敏传感器在日常生活中使用范围越来越大。因此,开发性能优异的气敏传感器就有很强的实际意义。本论文以ZnO气敏材料作为研究对象,运用第一性原理方法,对整个实验中的优化参数ZnO晶体特性以及Pd掺杂ZnO材料进行了模拟计算;对ZnO材料吸附NO、CO气体的气敏性进行了模拟计算;对掺杂Pd的ZnO材料吸附NO、CO气体的气敏性进行了模拟计算;并研究了负载Pt对Zn O材料吸附NO、CO气体气敏性的影响。通过对截断能和K点进行测试,确定了符合精度和计算量要求的截断能为420eV,K点为4×4×4,该参数设置下的计算值与公认实验值误差小于2%。利用第一性原理模拟Pd掺杂ZnO,结果表面Pd掺杂ZnO绝大部分都是以替代Zn位来实现的,同时掺杂导致ZnO表面电子结构发生了改变。通过建立ZnO晶体四个指数面的吸附模型(ZnO(110)、ZnO(100)、ZnO(101)、ZnO(001)),结构优化后分析表面能发现,ZnO(001)是最稳定的指数面,说明在实际Zn O材料中ZnO(001)面裸露在表面的可能性最大,故选取ZnO(001)面为研究ZnO吸附性能的模型。通过模拟ZnO(001)模型对NO、CO气体的吸附发现,吸附NO、CO均是自发的无需外界帮助,但是吸附能的值不高,说明需要对吸附材料进行加热,才能使材料对NO、CO的吸附效果增加,这也与实际情况下ZnO基气敏传感器的工作温度高于室温一致。通过对比ZnO(001)面吸附CO和NO气体的吸附性能发现,NO更容易吸附在ZnO(001)面上,吸附NO需要的工作温度也低于CO。通过模拟Pd-ZnO(001)模型对NO、CO气体的吸附发现,吸附NO、CO均是自发的无需外界帮助,在Zn O中掺杂Pd能有效提高Zn O气敏材料对NO的选择性与吸附性,同时降低ZnO基气敏传感器的工作温度。通过对比Pd-ZnO(001)面吸附CO和NO气体的吸附性能发现,所以NO更容易吸附在Pd-ZnO(001)面上,吸附NO需要的工作温度也低于CO。对于ZnO来说,掺杂Pd会显著提升ZnO材料对CO和NO气体的吸附性能,显著的增强ZnO对CO和NO气体的吸附性与选择性,同时降低ZnO基气敏传感器的工作温度。通过对负载Pt后的Pt-Pd-ZnO(001)模型对NO、CO气体的吸附模拟发现,吸附NO、CO均是自发的无需外界帮助。在Pd-ZnO中负载Pt会降低Pd-ZnO对NO的选择性与吸附性,同时提升ZnO基气敏传感器的工作温度。通过对比Pt-Pd-ZnO(001)面吸附CO和NO气体的吸附性能可知,NO更容易吸附在Pt-Pd-ZnO(001)面上。
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