TiO2表面氧吸附特性研究论文.doc

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1、毕业论文2011届TiO2表面氧吸附特性研究TiO2表面氧吸附特性研究摘要要获得氧吸附量与温度、氧分压的理论变化规律，首先要根据经典的统计理论，并要结合麦克斯韦速率分布得出吸附过程中O2吸附量的理论模型。在活化能Ea=0.30eV的情况下，TiO2对氧气吸附的温度敏感区域在120—410K之间，而且最佳吸附温度在370K，这与由金红石相TiO2所制成氧敏元件的最佳灵敏度所处的工作温度（378K）相近。并由模拟理论推测氧气在半导体表面的吸附量与氧分布呈线性增加。关键字TiO2；敏传感器；氧吸附；量子粒子；活化能ASTUD

2、YOFOXYGENABSORPTIONFORTiO2ABSTRACTTheprocessofabsorptionanddesorptionforoxygenisexplainedbyanenergycriterionandclassicalstatisticaltheory.Therelationshipsbetweenabsorbedvelocity,temperatureandoxygenpartialpressurearepurposedbyusingMaxwellvelocitydistributionandc

3、alculatingmodelofconcentrationforabsorbedoxygen.ThetemperatureregionforoxygenadsorbedonthesurfaceofTiO2isin120K—410Kwithaactiveenergy(Ea=0.30eV),andoptimaltemperatureisin370K.Theresultsareclosetotheexperimentalnature,whichtheoxygensensorwasmadebyrutileTiO2andopt

4、imaloperating-temperatureisat378K.Andalso,itisinducedbycomputersimulationthattheabsorbeddensityforoxygenonTiO2increaseslinearlywithoxygenconcentration.KeywordsTiO2;oxygensensor;oxygenabsorption;energyparticle;activeenergy目录引言TiO2表面氧吸附量的研究是了解TiO2基气敏传感器电导率变化规律的重要理

5、论基础。TiO2是一种主要的半导体过渡金属氧化物，它具有金红石、锐钛矿和板钛矿3种晶型，其中金红石结构是相对最为稳定的晶型，它也是TiO2的氧敏相。TiO2材料应用非常广泛，如：染料、光敏化材料(光电、光学晶体等材料)、电化学及催化等领域[1,2]。在气敏材料应用方面，TiO2基半导体气敏材料以其工作温度低、性能好、制备简单等优势[3]，成为人们研究和应用中最广泛的气敏传感器材料之一。TiO2材料电导率对氧气的敏感特性，最早由Gopel等人研究TiO2(110)单晶的氧敏性后提出的[4]。气敏材料的电导率与半导体材料的

6、迁移率、电子浓度有关，而半导体电子浓度除了与半导体材料的能级和掺杂施主浓度有关以外，也与材料表面氧吸附有很大关系[5],所以TiO2表面氧吸附的研究，对于了解该半导体材料的氧敏特性具有重要意义。在合成过程中，TiO2表面易形成氧空位，而呈N型半导体。Henderson等人通过TPD和ELS实验研究了O2在TiO2(110)表面的吸附[6]，其实验结果表明，表面氧空位是造成表面氧吸附的主要原因。在某一温度围，氧气以分子形式吸附在表面氧空位上，通过导带电子的转移，使其成为吸附氧(O2*)[5]；然后，由于邻近阳离子（Ti4

7、+）的作用，其中一个氧原子留在了氧空位上，而另一个氧原子移到邻近的阳离子上，由此造成氧分子O-O键的断裂，使其成为解离吸附(O2+2e→2O-)[6,7]。综上所述，表面氧吸附量与温度有密切的关系，而温度又可决定氧气分子的运动速度，所以当温度改变时，氧分子的运动速度也相应变化，为此本文通过麦克斯韦速率分布律的经典理论模型，并根据氧吸附量大小与TiO2氧气敏传感器灵敏度相对应的特性，对TiO2表面氧吸附量进行计算模拟，并与实验结果对比。1.纳米TiO2的基本结构纳米微粒是指颗粒微粒尺寸在1——100nm的超细微粒。由于纳

8、米微粒具有了量子尺寸效应，小尺寸效应，表面效应和量子隧道效应，因而展现出愈多也有的性质，在催化、过滤，光吸收、医药、磁介质及新材料等方面具有广阔的应用前景。纳米二氧化钛因其具有粒径小表面积大、分散性好、热导性好、所制悬浮液稳定等优点。因此倍受关注,制备和开发纳米二氧化钛成为国外科技界研究的热点[8]。二氧化钛是金属钛的一种氧化物，