复合掺杂金属氧化物纳米晶的机械化学合成及气敏性能研究

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1、摘要半导体金属氧化物纳米材料具有特殊的物理、化学性能，广泛应用于环保、催化、医学、陶瓷、化工、军事、光电材料等领域。研究纳米材料制备和应用的纳米技术将成为本世纪前20年的主导技术。纳米材料的制备作为纳米材料研究的前提，已经引起了广大研究者的极大关注，并且取得很大进展。不同的合成方法直接影响材料的微观结构，进而决定材料的性能。机械化学法是合成纳米材料非常有效的方法，因为它有许多优点，如反应过程简单、时间短、能耗低、易实现工业化、产品质量高，粒度分布均匀等。本论文采用机械化学法制备In203、CdO、In203／CuO、C030dCuO、In209Sn02和CdO／Sn02系列复A／掺杂金属

2、氧化物纳米晶材料。以金属氯化物和Na2C03(NaOH)为原料，按一定的比例混合，加入适量的NaCI作为稀释剂，在机械力的作用下诱发化学反应，得到前驱体，然后进一步热处理，发生氧化或分解反应生成氧化物，最后洗涤、烘干即得产品。采用XRD、TG、DTA、TEM、SEM、XPS、EDAX等对合成的复合／掺杂金属氧化物进行表征和检测，并制作厚膜烧结型气敏元件，采用静态配气法进行性能测试，并与单一sn02的气敏性能比较。研究结果表明：反应产物NaCI作为稀释剂，可有效的防止颗粒团聚，合成的系列复合／掺杂金属氧化物的晶粒尺寸集中在20～50nm，且晶粒尺寸随焙烧温度的升高而增大，不同的掺杂物种和掺

3、杂量对晶粒尺寸和晶格常数的影响不同，当掺杂材料比主体材料的离子半径大时，主体材料的晶格常数呈增大趋势。Sn02基气敏元件的灵敏度随测试气体浓度的增加而提高，复合，掺杂其它氧化物将使灵敏度明显增大，10wt％CdO／Sn02的整体性能优于30wt％CdO／Sn02；在酒精(1000ppm)、丙酮(1000ppm)、汽油(2000ppm)和氢气(2000ppm)的气氛中，10wt％CdO／Sn02的灵敏度分别为276．9、95．4、68．7和36．3，比Sn02分别提高了5’3、2．1、5．7和14．5倍，酒精对甲烷的选择性高达131．8，比Sn02提高了近3倍，对200ppm的酒精响应和恢

4、复时间分别为1S和5s。本论文利用Kissinger和Ozawa法计算了金属氧化物晶化过程活化能，建立了晶粒生长动力学方程，计算得晶粒生长活化能在10---100kJ／tool，表明热处理过程的晶粒长大主要以晶界扩散为主。还分析了机械力作用下的碰撞、能量转移、表面缺陷和局部升温等机械化学效应，探讨了机械化学法合成氧化物纳米晶的内在机制；分析了氧化物之间的协同效应，讨论了In203、CdO复合／掺杂Sn02的气敏机理。关键词：金属氧化物，纳米晶，机械化学，复合掺杂，气敏性能ABSTRACTSemiconductormetaloxidesnanomaterials，withspecialph

5、ysieo-chemicalproperties，havebeenwidelyappliedinmanyfieldsincludingenvironmentalprotection，catalyst，medicine，ceramics，chemica／engineeringandphotoelectricmaterials．SynthesisofnanomaterialshaveattractedaworldwideaRentionandhavemadegreatprogress．Thedifferentpreparationmethodsshowdirectinfluenceonthe

6、microstructureandpropertiesoftheas—synthesizedmaterials．Mechanochemicalprocessing，anovelandeffectivbmethodtosynthesizenanomaterials，hasmarlyadvantagesincludingsimpleprocess，cheap，convenient，easytocontrolprocessandsuitableforlarge—scaleproductionofcompositenanocrystallites．Thisworkusedthemechanoch

7、emicaltechnologytopreparedoped／compositemetaloxidenanocrystallitesuchasIn203，CdO，In203／CuO，C0304／Cu0，In203／Sn02andCdO／Sn02．Theprecursorwasfirstformedfromthemechanochemicalreactionofthedichlorideandsodiumcarbonate(orsod