基于GaN/Ti_(3)C_(2)T_(x)的TMA传感器气敏性能及其应用研究

本文联合溶剂热法和氮化法合成氮化镓(GaN)/Ti_(3)C_(2)T_(x)新型复合材料,并研究了基于GaN/Ti_(3)C_(2)T_(x)新型复合材料的气体传感器对三甲胺(Trimethylamine,TMA)气体的传感特性.通过一系列表征手段分析了复合材料的形貌以及元素组成特性,证实了GaN与Ti_(3)C_(2)T_(x)材料的成功复合.传感器对TMA气体的气敏特性结果表明,GaN/Ti_(3)C_(2)T_(x)传感器在室温下能够高效检测1~200 ppm的TMA气体,且与纯GaN传感器相比,对TMA的检测下限由10 ppm降低至1 ppm.此外,复合传感器气敏结果进一步证实了其良好的抗干扰特性以及长期稳定性.利用表面耗尽层模型解释了GaN/Ti_(3)C_(2)T_(x)复合传感器气敏机理,及其与纯GaN传感器相比气敏性能提升的原因.最后,本文开发了一种无接触式TMA气体检测装置,检测结果表明该装置有望实现对肝、肾病患者呼出气的高效实时检测,在肝、肾疾病的早期筛查方面具有较大的应用潜力.

Ga_2Se_3:Co^(2+)晶体吸收光谱的研究

Ga2Se3是重要的半导体材料,它在光电方面有很大的应用潜力而被广泛研究。本文引入平均共价因子,考虑静电相互作用,立方晶场和旋轨耦合相互作用,利用完全对角化方法对Ga2Se3:Co2+晶体的吸收光谱的精细结构进行了重新计算和识别。结果表明,理论与实验相符,并纠正了Yoon等对此晶体的吸收光谱及其精细结构识别的错误部分。

基于SnS_(2)/In_(2)O_(3)的气体传感器及其室温下高性能NO_(2)检测

NO_(2)是一种有毒气体,能与空气中的其他有机化合物发生反应,造成空气污染并对人体有很大的危害.因此,需要一种气体传感器来检测NO_(2).然而,传统的NO_(2)传感器很难在室温(25℃)下工作.本研究报告了SnS_(2)/In_(2)O_(3)的室温(25℃) NO_(2)气体传感,采用热注入法和水热法制备了In_(2)O_(3)量子点和SnS_(2)纳米片.凭借SnS_(2)独特的二维结构,在其上装饰In_(2)O_(3),复合增强了其传感性能,产品采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨率透射电子显微镜(HR-TEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)进行表征.结果表明,SnS_(2)/In_(2)O_(3)传感器对体积分数为1×10^(-6) NO_(2)的响应为26.6,响应和恢复时间分别为146 s和243 s.由于异质结结构增加了活性位点的数量,加速了气体的传输,促进了电荷转移和气体解吸,提高了NO_(2)气体传感性能.这种优异的传感性能在NO_(2)检测中具有广阔的应用前景.

CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体的电离特性试验研究

为评估CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体的绝缘性能,研究了其在电场中的电离特性。通过稳态汤逊实验(SST)测量获得了CF3SO2F摩尔分数分别为10%、20%、30%、40%、100%的CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体的有效电离系数和临界约化场强,研究了混合比例、约化场强和电极距离对其电离特性的影响,并比较了CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体相对于SF6的绝缘强度。结果表明:CF_(3)SO_(2)F摩尔分数为10%时,CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体的电离特性与N_(2)类似;随着CF_(3)SO_(2)F占比增大至20%以上后,CF3SO2F/N2混合气体的电离特性逐步由CF_(3)SO_(2)F主导;CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体相对于SF6的理论绝缘强度随着CF_(3)SO_(2)F摩尔分数的增大而增大,40%CF_(3)SO_(2)F/60%N_(2)混合气体的临界约化场强约为SF_(6)的1.01倍,但其对电场变化的敏感程度不如SF6。研究结果可为CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体的绝缘强度评估提供理论基础。

CeO_(2)-In_(2)O_(3)异质结复合材料的制备及其在三乙胺气敏监测中的应用

以In(NO_(3))_(3)∙4.5H_(2)O和Ce(NO^(3))_(3)∙6H_(2)O为原料,对苯二甲酸为配体,N,N-二甲基甲酰胺为有机溶剂,通过热解金属有机骨架法(MOFs)成功制备了CeO_(2)-In_(2)O_(3)复合材料。采用X射线双晶粉末衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见漫反射吸收光谱(UV-vis)和比表面积与孔隙度分析仪(BET)对材料的微观结构进行表征,研究了CeO_(2)-In_(2)O_(3)复合材料的气敏性能。结果表明,当In/Ce摩尔比为3∶1时,CeO_(2)-In_(2)O_(3)对1×10^(5)μg/L三乙胺(TEA)的响应值(48.37)最高,是纯In_(2)O_(3)(9.45)的5倍,响应/恢复时间缩短至36s/22s,且该复合材料在173℃的最佳工作温度下具有优异的选择性和长期稳定性。复合材料传感性能的增强可归因于热解金属有机骨架法提供的大比表面积以及n-n异质结的形成。

基于Boltzmann方程对C_(3)F_(8)/CF_(3)I/CO_(2)三元环保型混合气体的绝缘性能研究

为研究一种新型SF_(6)替代环保绝缘气体介质,采用密度泛函理论(DFT)从微观结构层面上深入地分析C_(3)F_(8)作为一种SF_(6)替代环保绝缘气体的可行性,利用两项近似的Boltzmann方程对300 K下C_(3)F_(8)/CF_(3)I/CO_(2)三元环保混合绝缘气体介质的绝缘特性进行了分析,计算三元环保混合气体的电子能量分布函数、电子群参数和协同效应系数等多种微观参数,分析了这些参数随C_(3)F_(8)混合气体比例的变化情况,并与同比例下的c-C_(4)F_(8)/CF_(3)I/CO_(2)三元混合气体的微观参数进行了对比和分析。在约化电场强度E/N低于418 Td时,从扩散系数、电子漂移速度的角度上来看,C_(3)F_(8)三元混合气体的性能优于c-C_(4)F_(8)三元混合气体,在C_(3)F_(8)比例低于7%时,C_(3)F_(8)三元混合气体的绝缘强度高于30%SF_(6)/70%CO_(2)的混合气体,此时的三元混合气体在中低压设备中具有一定的应用潜力。此外,当C_(3)F_(8)气体体积分数为10%时,三元混合气体协同性最好。文中的研究从理论上验证了C_(3)F_(8)/CF_(3)I/CO_(2)替代SF_(6)的可能性。

Al_(2)O_(3)载体孔结构优化:提升FeMo/Al_(2)O_(3)催化剂在焦炉煤气加氢脱硫性能

探讨了Al_(2)O_(3)载体孔结构对FeMo/Al_(2)O_(3)预加氢脱硫(HDS)催化剂活性和选择性的影响,采用浸渍法制备了一系列具有不同孔结构的FeMo/Al_(2)O_(3)催化剂,并通过微型固定床技术对其在模拟焦炉煤气中COS、CS_(2)、C_(4)H_(4)S和C_(2)H_(4)的HDS活性和选择性进行了系统评价,通过N_(2)吸附-脱附、红外碳硫、XRD、NH_(3)-TPD、H_(2)-TPR、XPS、Raman以及HRTEM等技术对催化剂进行了表征。研究结果表明,Al_(2)O_(3)载体孔结构对催化剂活性相MoS_(2)有显著影响,从而影响加氢脱硫活性和选择性,其中较大孔径的载体更有利于COS和CS_(2)的有效转化,而较小孔径的载体则更倾向于促进C_(4)H_(4)S和C_(2)H_(4)的转化;此外,具有较大孔径的催化剂不仅展现出更低的积炭倾向,还通过提高Mo物种的分散性,有效调控了MoS_(2)片晶的生长尺寸和层数,从而在COS和CS_(2)的加氢脱硫活性上显示了优异性能。研究结果为高效HDS催化剂的设计与开发开辟了新途径。

基于生物质衍生α-Fe_(2)O_(3)的丙酮气体传感器实验研究

研制具有高灵敏度、低检测限的丙酮气体传感器对于工业生产安全和人体疾病诊断具有重要意义。本文以生物质脱脂棉为模板,采用金属盐溶液浸泡法和空气中煅烧处理相结合的策略制备了α-Fe_(2)O_(3)微米管,然后采用X射线衍射仪、热重分析仪、扫描电子显微镜(SEM)对α-Fe_(2)O_(3)的物相组成与表面形貌进行表征。所制备的α-Fe_(2)O_(3)传感器表现出优异的丙酮传感性能,包括高响应(192.51%@20×10^(-6)),低检测限(1×10^(-6)),优异的重复性和选择性,并分析传感器的敏感机制。该工作不仅为多孔金属氧化物材料的简便设计提供了方案,而且在构建用于高性能丙酮气体检测系统方面具有应用潜力。

Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)基氧化铝薄膜的制备及对固态电解质应用性能的影响

Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)(LLZO)具有离子电导率高、电化学窗口宽、与锂负极相容性好的特点,在锂离子电池领域成为了传统有机液态电解质的潜在替代品。然而,LLZO极易与空气中的CO_(2)、H_(2)O反应生成副产物Li_(2)CO_(3),致使LLZO离子电导率降低,甚至丧失。针对这一问题,本研究采用先旋涂后烧结的方法在LLZO表面构筑氧化铝薄膜,借助致密氧化铝薄膜阻隔LLZO与空气的直接接触的特性,改善和提高LLZO的空气-水稳定性。结果表明,采用该方法可在LLZO表面构筑厚度约为13.34μm的无定形氧化铝薄膜层。该薄膜层有效提高了LLZO对气体的阻隔性,增大了LLZO表面疏水特性,在一定程度上抑制了Li_(2)CO_(3)的生成。同时,由于渗入LLZO中氧化铝对空隙的填充作用,强化了离子传输特性,使负载薄膜后LLZO的离子传导的活化能从0.40 eV降低至0.28eV,离子电导率从4.48×10^(5)S·cm^(-1)提高到5.06×10^(-5)S·cm^(-1),提高了13%。

辉钼矿剥离少层二维MoS_(2)纳米片及其NH_(3)气敏特性研究

为探究二维MoS_(2)纳米片对NH_(3)的气敏特性,以辉钼矿纯矿物为原料、乙醇水溶液为剥离溶剂,采用液相超声剥离法制备少层二维MoS_(2)纳米片;利用XRD、UV-vis、SEM、AFM等检测手段对产物物相组成和微观结构进行表征和分析,并通过静态配气法对MoS_(2)纳米片的NH_(3)气敏特性进行研究。结果表明:①剥离制备出的MoS_(2)纳米片为4~5单层,呈无规则多边形片层状,尺寸约200 nm,厚度约5 nm,具有较大的比表面积。②MoS_(2)纳米片对NH_(3)气体具有良好的响应—恢复特性,在工作温度100℃时获得最大灵敏度,并且具有良好的响应重现性和长期稳定性。③NH_(3)气体通过与MoS_(2)纳米片表面的吸附氧发生反应从而引起空穴累积层厚度的变化,实现MoS_(2)纳米片电阻的变化,进而产生电信号并实现气敏响应。研究表明,通过液相超声剥离法制备的MoS_(2)纳米片层数较少,且分散性较好,同时对NH_(3)气体具有良好的气敏特性。

NaHCO_(3)干法同步脱除垃圾烟气HCl和SO_(2)实验研究

采用NaHCO_(3)干法脱除垃圾烟气中的酸性污染物,针对复杂烟气组分,实验研究了多种关键因素对脱氯和脱硫的影响。结果表明:NaHCO_(3)干法脱酸受温度影响较小,在130~250℃温度范围内,HCl、SO_(2)脱除效率可分别达到95%、90%;增加反应时间可较显著地提升脱酸性能,综合考虑环保及经济性,在碱酸比为1.1时烟道反应段的停留时间控制在1.25 s以上、选择除尘器设计过滤风速为0.60 m/min左右较为合适;烟气含水率小于15%时,水蒸气对SO_(2)的脱除具有较明显的促进作用;在碱酸比≤1.0时,HCl具有明显的优先反应能力;在碱酸比为1.1时,HCl质量浓度每增加100 mg/m^(3),SO_(2)脱除效率约下降1.1%,SO_(2)排放质量浓度约增加4 mg/m^(3),而HCl脱除效率基本不受SO_(2)质量浓度的影响。

CuO/CeO_(2)/γ-Al_(2)O_(3)工业球型催化剂的制备及其脱除石灰窑尾气CO的性能

采用分步浸渍法制备了CuO/CeO_(2)/γ-Al_(2)O_(3)工业球型催化剂。通过XRD,SEM,TEM,Raman,H_(2)-TPR等方法对催化剂的结构进行表征,并将CuO/CeO_(2)/γ-Al_(2)O_(3)应用于石灰窑尾气处理中,考察了CuO/CeO_(2)/γ-Al_(2)O_(3)的CO催化氧化效果及使用寿命。实验结果表明,在气体流量为1 m^(3)/h,150℃条件下,CuO/CeO_(2)/γ-Al_(2)O_(3)脱除石灰窑尾气(2%(φ)CO,2%(φ)O_(2),35%(φ)CO_(2)及N2)时,可实现超350 h的稳定运行,且稳定运行后催化剂的结构并未被破坏。

新型环保绝缘介质CF_(3)SO_(2)F混合气体电弧等离子体输运参数计算与影响因素分析

绝缘气体输运参数计算对于其绝缘灭弧性能和其他宏观物性研究具有重要意义。首先基于最小吉布斯自由能方法,获得了CF_(3)SO_(2)F混合气体在300~30000 K温度下的粒子组分。在粒子组分的基础上,采用Chapman-Enskog方法求解Boltzmann方程,计算了0.01~1 MPa压强范围内CF_(3)SO_(2)F混合气体的输运系数(电导率、热导率和黏滞系数),重点考察了气压、混合比例和缓冲气体类别对CF_(3)SO_(2)F混合气体输运参数的影响。结果表明:增大气压会抑制气体解离和电离反应,延缓升温过程对输运系数的影响;增大CF_(3)SO_(2)F混合比例则会直接影响体系主要粒子的相对含量,进而使解离和电离反应的温度发生变化,导致低温区的电导率和中高温区的黏滞系数增大,中高温区的热导率减小;与前两者相比,气体混合类别对输运参数影响较小。此外,相比SF_(6),CF_(3)SO_(2)F混合气体具有更大的热导率和更小的黏滞系数,能够更有效地将焦耳热传递到电弧外从而避免弧后击穿。该研究不仅为CF_(3)SO_(2)F混合气体用于高压电气设备提供一定的指导,也为进一步评估其绝缘和灭弧能力及绝缘气体配置优化提供了必要的数据支撑。

用于火电厂NO_(x)检测的Pt-In_(2)O_(3)传感器吸附及传感机理研究

火力发电产生的NO_(x)会对生态环境和公众健康造成严重危害。目前,我国对火电厂NO_(x)检测主要采用非分散红外技术和化学发光技术,需要对烟道的样气进行人工采样,步骤繁琐且无法实现对NO_(x)准确检测,半导气体传感器具有体积小、响应快速和成本低等优点,而广泛应用于气体污染物的检测。本文采用水热法制备了本征In_(2)O_(3)和Pt-In_(2)O_(3)气敏材料。基于搭建的微量气体气敏测试平台,测试了In_(2)O_(3)基传感器对NO和NO_(2)的浓度响应和响应恢复时间。研究表明,Pt-In_(2)O_(3)传感器对30ppm NO_(2)和NO的响应值分别为7.7和10.3,响应恢复时间分别为23 s/41 s和18 s/46 s,能够满足对火电厂NO_(x)检测的要求。另外,基于密度泛函理论计算了各吸附模型的吸附能和态密度以揭示其气敏机理。分析结果表明,Pt-In_(2)O_(3)对NO(-1.55 eV)和NO_(2)(-0.92 eV)表现出强烈的化学吸附,与宏观实验测试结果一致。因此,Pt-In_(2)O_(3)传感器可实现火电厂NO_(x)气体检测。

CF_(3)SO_(2)F及其混合气体电弧等离子体粒子组分与物性参数计算

CF_(3)SO_(2)F是一种有望替代SF_(6)的新型环保绝缘气体,计算CF_(3)SO_(2)F及其混合气体在不同温度下的粒子组成和物性参数对进一步研究其绝缘性质和灭弧能力有重要意义。该文首先深入研究CF_(3)SO_(2)F及其混合气体电弧等离子体粒子组分,并基于吉布斯自由能最小化方法计算得到等离子体在300~30000 K温度范围内的平衡组分;其次根据标准统计热力学关系和Chapman-Enskog方法,在不同气体压力和混合比例下,计算得到等离子体各项热力学参数和输运参数随温度的变化规律;然后探讨了不同缓冲气体对CF_(3)SO_(2)F混合体系的影响,并比较了CF_(3)SO_(2)F与其他常见绝缘气体SF_(6)和C_(4)F_(7)N的相关性质;最后综合分析了CF_(3)SO_(2)F气体的热电弧开断能力。结果表明,在较高的气压下,CF_(3)SO_(2)F气体的分解和电离反应可以被有效抑制;此外,比定压热容分析表明该气体在混合气体中的比例越高,低温区的分解反应越剧烈,高温区的电离反应越平缓;气体种类也会显著影响等离子体的输运特性,不同体系中电导率大小和热导率峰位置等存在较大差异;根据质量密度和比定压热容的乘积(ρc_(p))指标还可以推断CF_(3)SO_(2)F具有较常见绝缘气体C_(4)F_(7)N更强的热电弧开断能力,尽管引入缓冲气体会降低其开断能力,但引入CO_(2)对灭弧性能的负面影响更小。

涂覆SnO_(2)-WO_(3)的微光纤甲烷气体传感器

提出并展示了一种用于甲烷浓度检测的SnO_(2)-WO_(3)纳米花涂覆微光纤双锥干涉仪(MFI)。采用多芯光纤熔融双锥法制备锥形MFI。采用水热法和浸渍法合成了甲烷敏感材料SnO_(2)-WO_(3)。采用滴涂法在MFI结构外部涂覆SnO_(2)-WO_(3)材料。当甲烷分子吸附在涂层材料上时,材料的折射率会发生变化,从而引起传感器的透射光谱发生变化。因此,可以通过测量光谱的波长漂移来检测甲烷浓度。实验结果表明,SnO_(2)-WO_(3)纳米花包覆MFI传感器具有较大的浓度检测范围和较高的室温稳定性。测量甲烷浓度范围为0~34%,灵敏度约为0.11nm/%。还对传感器的选择性进行了研究。对异丙醇、甲醇、乙醇和甲烷的反应进行了研究和比较。结果表明,该传感器对甲烷具有较高的吸附选择性,在矿井瓦斯检测与预警领域具有潜在的应用前景。

基于静电纺丝法制备Ce掺杂WO_(3)的NO_(2)气体传感器研究

为了提高WO_(3)对NO_(2)的气敏性能,利用静电纺丝技术制备了Ce掺杂的WO_(3)纳米纤维,制备了WO_(3)和不同掺杂比例的Ce-WO_(3)气体传感器进行气敏实验。实验结果表明:Ce元素的掺入明显提高WO_(3)对NO_(2)的传感性能,而且降低工作温度到100℃,当NO_(2)的浓度为5 ppm时,2mol%Ce-WO_(3)传感器响应值为22.16。通过XRD、SEM、XPS等表征方法对其结构、形貌以及表面化学态进行了表征,利用UV-vis对其带隙进行了表征和分析。结果表明:2mol%Ce-WO_(3)传感器对NO_(2)性能的提升主要得益于表面吸附氧含量的增加以及Ce掺杂之后对带隙的减小。

In_(2)O_(3)-CuO的制备及其光活化下的室温甲醛气敏性能

以InCl_(3)•4H_(2)O和Cu(NO_(3))2•3H_(2)O为原料、尿素为沉淀剂,采用水热法制备了In_(2)O_(3)-CuO复合材料。通过XRD、SEM、TEM、UV-Vis吸收光谱、XPS、EIS对其进行了表征,探究了紫外光活化In_(2)O_(3)-CuO复合材料的气敏性能与传感机制。结果表明,In_(2)O_(3)-CuO复合材料在375 nm紫外光照射室温(25℃)条件下对质量浓度50 mg/L甲醛气体的灵敏度为298,与纯In_(2)O_(3)(2.4)相比灵敏度提高123倍,气敏性能的巨大提升得益于In_(2)O_(3)与CuO形成的p-n异质结,协同光活化条件下异质结界面产生的光生电子-空穴与氧物种(O_(2)和O_(2)-)间建立了氧的光活化吸附-解吸循环,使室温下材料的气体吸附-解吸过程和表面反应增强。

Mn_(2)O_(3)/AC微波处理烧结烟气协同脱硫脱硝研究

利用浸渍法制备了孔隙结构丰富、Mn_(2)O_(3)负载良好的活性炭(Mn_(2)O_(3)/AC),通过微波脱硫脱硝实验探究了Mn_(2)O_(3)/AC在不同温度、氧气含量和水含量条件下对烧结烟气微波脱硫脱硝的影响。实验结果表明,在180~420℃区间内,脱硫脱硝率随着温度的升高而增高,420℃时脱硫率为98.2%,脱硝率为80.25%,高温下Mn_(2)O_(3)/AC能够维持较高水平的脱硫性能;烧结烟气中的氧和水对脱硫脱硝有一定的促进作用,但含湿量过大对脱硫不利。Mn_(2)O_(3)/AC能够满足烧结烟气复杂成分微波脱硫脱硝要求,在O_(2)和H_(2)O(g)共存条件下脱硫脱硝率可维持在95%以上。Mn_(2)O_(3)/AC微波脱硫脱硝时不仅生成单质S和N 2,还生成了硫酸盐与硝酸盐等副产物,进而降低了负载活性炭的性能。

β-Ga_(2)O_(3)(010)表面对新型环保绝缘气体CF_(3)SO_(2)F的气敏响应特性

CF_(3)SO_(2)F作为一种新型的环保绝缘气体,有望取代绝缘气体SF_(6)。考虑到CF_(3)SO_(2)F的生物毒性,开发用于泄漏检测的高灵敏度传感器具有重要的工程意义。为此,基于第一性原理,计算分析了本征β-Ga_(2)O_(3)(010)表面对CF_(3)SO_(2)F的气敏响应特性以及氧空位缺陷对CF_(3)SO_(2)F在β-Ga_(2)O_(3)(010)表面吸附性质的影响。CF_(3)SO_(2)F吸附前后,本征β-Ga_(2)O_(3)(010)表面吸附体系的功函数发生了显著变化,且室温下的恢复时间短。此外,环境分子O_(2)和CO_(2)的存在并不影响本征β-Ga_(2)O_(3)(010)表面对CF_(3)SO_(2)F的选择性检测。因此,本征β-Ga_(2)O_(3)(010)表面可作为CF_(3)SO_(2)F潜在的场效应晶体管型气敏器件材料,且该器件具有较高的稳定性,良好的选择性,较高的灵敏度和可重复利用性。氧空位缺陷的引入使β-Ga_(2)O_(3)(010)表面吸附体系在环境分子O_(2)和CO_(2)存在的情况下无法对CF_(3)SO_(2)F气体进行选择性检测。因此,在β-Ga_(2)O_(3)(010)表面材料的合成过程中应尽可能避免氧空位缺陷的存在。论文从理论上证明了本征β-Ga_(2)O_(3)(010)表面可作为一种潜在的CF_(3)SO_(2)F场效应晶体管型气敏材料,对后续的实验制备气敏传感器具有指导作用。