有序介孔氧化铟的结构与成分调控及其气敏传感应用

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高效的气体传感器已经在工业生产、环境监测等方面扮演了非常重要的角色,使得对气体传感器的研究和开发变得越来越重要。而构筑高性能的气体传感器的核心则是制备具有优异敏感特性的敏感材料。有序介孔金属氧化物具有规则可调的孔道、大的比表面积、纳米尺度的孔壁骨架、多样的化学组分和结构形貌,被认为是非常有应用前景的气敏材料。本论文利用两种具有相同双螺旋孔道结构但孔径不同的有序介孔氧化硅MCM-48和KIT-6为硬模板,合成了一系列具有可调结构参数的有序介孔氧化铟及其异质金属离子掺杂的有序介孔氧化铟基固溶体材料,并探索了其在检测甲醛、苯、丙酮等毒害气体方面的应用。主要成果包括:1、以有序介孔氧化硅MCM-48为硬模板、硝酸铟水合物为前驱体,通过纳米浇筑法,成功合成了具有高比表面积(~300 cm2/g)、超细孔壁骨架尺寸(~3 nm)的有序介孔氧化铟材料。研究发现:与具有较大孔径的有序介孔氧化硅KIT-6相比,MCM-48只能容纳理论孔体积20%的硝酸铟前驱体进入,增加前驱体的用量将在MCM-48孔道外形成大量的体相氧化铟副产物,导致介孔氧化铟材料的比表面积和孔体积急剧减小;气敏性能测试表明所合成的有序介孔氧化铟对甲醛气体具有非常高和迅速的响应,其对46 ppm浓度甲醛气体的响应值可达110,响应恢复时间分别为7s和15s;体相氧化铟的增加带来的比表面积损失将导致气敏性能的下降。2、以硝酸铟水合物和其他金属盐为混合前驱体,通过类似方法,合成了镧、铈、铒等金属离子掺杂的有序介孔氧化铟固溶体。研究发现:以MCM-48为模板制备的镧掺杂介孔氧化铟比未掺杂的介孔氧化铟表现出更高的响应,当La/In=0.05时,气敏响应最高,对于浓度为46 ppm的甲醛气体的响应值可达1900;为了比较,还以KIT-6为模板制备了镧掺杂介孔氧化铟,当La/In=0.1时,气敏响应最高,但是对浓度为46 ppm的甲醛气体的响应值为315,而铒掺杂介孔氧化铟在相同条件下的响应值可达760。
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