温和条件下不同形貌氧化钨的控制合成及其气敏性能分析-controlled synthesis and gas sensitivity analysis of tungsten oxide with different morphologies under mild conditions.docx

中文 中文摘要 重庆大 重庆大学硕士学位论文 I I PAGE PAGE VI 摘 要 能够有效地对无机化合物的结构、尺寸和形貌进行控制，是制造各种纳米器 件非常重要的前提条件。半导体传感器具有反应灵敏、寿命长等优点，为了进一 步提高半导体传感器的性能，科研工作者进行了大量研究工作，如采用化学手段 对半导体氧化物的结构、尺寸和形貌进行控制。三氧化钨具有特殊晶体结构和物 理及化学性质，通过不同的方法制备具有特殊维度结构的三氧化钨粉体材料的研 究比较广泛，但都存在可控性低、生产效率低、工艺复杂等缺点。因此通过一种 操作简单、成本较低、具有产业化前景的方法，获得具有可控纳米尺寸、形貌均 匀的 WO3 纳米材料仍然很有难度。如果能够通过分析生长机理和讨论形貌的特性， 来进一步优化纳米材料的结构、提高制备工艺的稳定性、改善气敏性能的应用， 会是一项很有意义的研究。 本课题的主要工作为通过添加模板和辅助剂的水热法、水浴法等制备方法， 控制合成不同维度、不同形貌的的氧化钨纳米材料，通过 XRD、SEM、TEM、HRTEM 和 SAED 等表征测试手段对材料的微观结构和微观形貌进行表征，结合晶体结构 分析软件 Diamond 等来辅助探讨生长机理，测试不同微观结构的三氧化钨粉末对 于乙醇等不同气体在不同浓度、不同温度等条件下的气敏响应，得到其最佳工作 温度、灵敏度、选择性、检测极限和稳定性气敏性能参数，分析微观结构对于气 敏性能的影响。课题旨在通过对合成工艺的研究和改进，找出较为简便的制备一 维和二维等低维度的氧化钨基纳米材料可控生长的方法，探讨其生长机理并对气 敏性能的解释和提高提供指导。另外，还优化制备工艺，控制合成了具有纳米分 级结构的氧化钨纳米材料，探讨分析其生长机理并测试其气敏性能，讨论分级纳 米结构对于气敏性能的影响和改善作用，为复杂结构的三氧化钨的控制合成和改 性研究提供参考。本文的主要结论如下： ①一维纳米线状氧化钨：在水热条件下通过添加适量的 Na2SO4 和 K2SO4 为封 端剂来控制合成单分散的 h-WO3 纳米线，其能够一维定向生长的原因是由于 Na+ 和 K+离子的存在而造成的各向异性生长以及 SO42-离子的吸附作用。这种粉末对于 乙醇和甲醛这两种有毒有害气体表现出很好的气敏性能，在 300 oC 的条件下对于 10 ppm 两种气体的响应灵敏度可以达到 10 以上，并且具有很好的选择性，具有较 高的应用潜力。 ②二维纳米片状氧化钨：通过水热法添加苹果酸（C4H6O5）控制合成规则的 单分散 WO3·H2O 纳米片状结构，苹果酸在晶面上的选择性吸附是形成纳米片的重 要原因，(010)为主要暴露面，其厚度可以通过调节反应时间来控制，苹果酸在(010) 晶面上的选择性吸附和不同反应时间导致了不同厚度的 WO3·H2O 纳米片的生成。 气敏性能测试证明两种厚度分别为 20~30 nm 和~100 nm 的粉末制备的传感器具有 很好的气敏性能，在 300 oC 对于 100 ppm 的乙醇气体的响应灵敏度分别为 29.8 和 26.1，进一步对比分析得知薄的 WO3·H2O 纳米片粉末由于具有更多(010)晶面暴露， 反应活性更高，因而表现出更好的气敏性能。 ③三维分级结构的氧化钨：在水热或水浴条件下可以控制合成多种三维分级 结构的 WO3 粉体材料，讨论其生长机理并证明它们优越的气敏性能。以 C 微球为 模板通过水热法制备 C/WO3 复合亚微球，并通过进一步烧结得到了具有介孔结构 的 WO3 亚微球，这种亚微球具有较大的比表面积（22.2 m2/g），且对乙醇气体有显 著的气敏响应，对 50 ppm 的乙醇气体的响应可以达到 17.7。此外，通过采用添加 K2SO4 辅助的水热法成功地制备海胆状六方 h-WO3 微球结构，比较发现 K2SO4 对 海胆状结构的形成起了很大的作用，气敏测试显示，300 oC 时对 400 ppm 乙醇的 响应灵敏度可以到达 17。另外还成功通过草酸辅助的水浴法制备 WO·H2O 纳米花 结构，发现在 W/C 比为 1:1.6 时制备的 WO3·H2O 具有最好的结晶性能和更好的组 装的纳米花状结构。实验证明三维分级结构对于提高比表面积、避免纳米颗粒的 聚集、提高气敏性能具有很好的促进作用。 关键词：WO3，纳米结构，控制合成，生长机理，气敏性能 英文摘 英文摘要 重庆大 重庆大学硕士学位论文 III III PAGE PAGE IV ABSTRACT Effectively control of the structure, size and morphology of inorganic compounds is a very important prerequisit