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1、毕业设计（论文）题目甲烷气体传感元件研究专业名称应用化学班级学号xxxxxxxx学生姓名xxx指导教师xxx填表日期xxxx年xx月xx日xxxx大学应用化学专业学士学位毕业论文1前言1.1甲烷气体传感元件的研究现状甲烷(CH4)是天然气、沼气和多种液体燃料的主要成份,在工业领域和日常生活中广泛应用,是典型的易燃易爆气体,在大气中爆炸的下限为5.3%。国家《煤矿安全规程》中规定的CH4传感器的断电浓度更是低到0.5%～1.5%。及时检测CH4的产生源、泄露源及浓度,对工矿安全运行、人身安全及环境保护有着
2、十分重要的作用。2002年至2005年8月,全国煤矿发生特大事故29起,死亡1743人,其中,瓦斯爆炸事故24起,死亡1579人,事故起数和死亡人数分别占83%和91%。因此,研制低成本、高灵敏度和良好选择性的甲烷传感器及相应的敏感材料具有重大意义和广阔前景[1]。目前,对CH4的检测方法主要有载体催化法、半导体气敏传感器法、吸收型光纤传感器法、电化学法以及红外光谱法[2-5]。载体催化元件是矿井中检测CH4的主要元件,但存在一些缺陷。因此，当前国内外研究热点主要集中在半导体气敏传感器上。与其他检测手段
3、相比，以二氧化锡(SnO2)为主要基材的半导体气敏传感器具有灵敏度高、探测范围广、与气体反应快、制备成本低等优点,是今后矿井中用于检测CH4气体的主要产品之一。1.1.1载体催化元件目前,矿井中用于检测甲烷的经济有效的方法仍是20世纪50年代源于英国的载体催化法,即利用材料对气体接触燃烧的反应热改变另一种材料电阻特性的催化燃烧法。元件以Φ0.02～0.05mm的高性能铂(Pt)丝螺旋圈为骨架,外面包覆惰性难熔白色多孔材料(Al2O3)为载体,烧结成球状,习惯上称白元件。载体外若涂覆或浸渍上由活性棕黑色催
4、化剂组成的外壳,烧结后称为黑元件。阻值相近的黑白元件选配连接后和补偿电阻一起构成惠斯登电桥,装上元件帽,经过灌封处理成为实用的甲烷传感头,俗称黑白元件。1.1.2半导体气敏传感元件半导体气敏传感元件利用敏感材料表面吸附、脱附气体分子使自身电导率发生变化来检测气体。我国从20世纪80年代开始研究开发半导体CH4气敏元件。SnO2是一种表面控制型、宽隙的N型半导体,是目前在研制和开发CH4检测中最常用的气敏材料。-31-xxxx大学应用化学专业学士学位毕业论文当前国内外研究热点主要集中在（加热型）半导体气敏
5、传感器上，这主要是因为半导体甲烷气敏元件具有选择性好、抗干扰能力强、灵敏度高、响应速度快、价格低廉等优点。氧化物半导体甲烷传感器主要以氧化物半导体（氧化锡、氧化钛等N型半导体）为基本材料，它利用甲烷和吸附氧在材料表面的反应进行检测。在加热电压作用下（激发产生电子跃迁），材料中氧缺陷的存在使该材料能根据周围的气氛构成非化学计量结构，氧接收跃迁电子在材料表面被氧化为O2（吸附）-、O（吸附）-、O（吸附）2-3种吸附态，该过程吸收了表层材料导带内的电子，使耗尽层增加，导电性下降。此时，材料若暴露于CH4中，
6、CH4将与材料表面的吸附氧反应，使表面的氧浓度降低，电子又被释放回到导带中使导电性上升。高温时，CH4还会进一步和晶格氧发生反应，生成CO2和水蒸汽以及中间体CHn、CHnO，新形成的氧空穴成为施主失去电子，通过导带传送电子使材料导电性进一步上升。但是，该类传感器也要在一定的温度（300℃左右）下才能使半导体材料激发电子跃迁产生催化活性，故该类催化剂的稳定性也比较差。1.1.3其他类型气敏传感元件其他类型的方法还有红外光谱法等。虽然红外光谱法具有选择性好、抗干扰能力强、灵敏度高、响应速度快等优点，但是其
7、价格昂贵，因而应用较少。1.2半导体甲烷传感器的研究进展该类型元件的发展趋势是朝着低温或常温型发展，但大部分的研究都是通过各种改性，如过渡金属掺杂、半导体复合等，也有采用平面旁热式的方法的，以此来降低临界反应温度。而关于常温型的半导体气敏元件还未见报道。尽管甲烷是分子结构最简单的一种碳氢气体,但由于其结构的对称性,导致了其分解困难,自燃温度点高,活性低,进而导致了传感器对它的灵敏度低。人们对气敏氧化物半导体的研究主要以提高氧化物的对甲烷的灵敏度、选择性、快速响应和恢复能力以及其工作的稳定性为主要内容。为
8、此研究者主要在以下几个方面开展研究。1.2.1 在半导体甲烷敏感材料中添加催化剂根据晶界势垒模型和吸附氧理论,氧化物半导体对甲烷的探测实质上是氧气和甲烷气体在半导体表面吸附和进行化学反应的过程。过渡金属,特别是贵金属,如Pd、Au、Pt具有良好的催化特性,对甲烷与氧气化学反应速度有极其重要的作用,能有效地提高半导体元件的灵敏度和响应时间,因此被广泛地用于掺杂以提高元件的敏感特性。1.2.1.1掺杂金属的SnO2传感器的研究为了同时拥有化学气
