MoO3-x纳米带的气敏性能及机理研究开题报告

全文总字数：8913字

1. 研究目的与意义（文献综述）

氢气具有资源丰富、燃烧热值高和清洁无污染的优点，是21世纪重要的新型清洁能源之一，具有巨大的研究潜力和广阔的应用前景。但是由于氢气是易燃易爆气体，当空气中氢气含量达4%时，遇到明火便极易发生爆炸^[1-3]，需要利用气体传感器进行实时监测，来保证其在生产、储存、运输和使用过程中的安全。1962年，日本学者siyama t^[4]首先报道了金属氧化物的气敏效应，并制造出了第一个以zno为材料的气体传感器。此后，随着越来越多学者的深入研究，气体传感器领域开始迅速发展起来。其中金属氧化物半导体气体传感器以其低成本、高灵敏度、易于制造和性能稳定的优点，一出现便占据了气体传感器的大部分市场。传统气体传感器一般多用zno、sno₂、fe₂o₃^[5-7]等材料。在遇到氢气时，材料表面的吸附氧会与氢气分子结合并释放出电子，使半导体载流子增加，阻值下降，从而达到检测氢气的效果^[8]。但是传统金属氧化物材料存在对还原性气体选择性差、响应灵敏度有待提高等问题。而过渡金属氧化物材料具有独特的层状结构、空d电子轨道和可变价态等特点，有助于氢气的选择性吸附，从而提高器件的气体选择性和响应灵敏度。近些年来，研究者发现，moo₃具有较高的灵敏度、较好的选择性和高化学稳定性^[9]，成为当前研究的热点。

moo₃是典型的宽带隙（约为3 ev）n型半导体材料，固态的moo₃分为单斜相、六方相和正交相三种晶体结构，三种结构的基本组成单元均为畸形的[moo₆]八面体结构^[10,11]。其中正交相moo₃为热力学稳定结构，正交相moo₃的各个[moo₆]单元在一个方向上共边相连，在另一方向上共顶点相连，形成一个二维无限延伸的平面^[12,13]。这种独特的层状结构使其有利于气体分子的嵌入脱出和活性位点的暴露。因此，其在气敏材料领域表现出极大的实用性和发展潜力。从二十世纪以来国内外研究者已经通过不同合成技术制备出moo₃膜状材料并在氢敏领域应用进行相关的研究。1993年，hamagami等人^[14]通过磁控溅射法制备了pd修饰的moo₃薄膜，并测试了薄膜的氢敏特性，结果显示该薄膜对氢气有响应特性，但响应时间较长，约为100 s。2001年，imawan等人^[15]通过射频溅射法分别制得单层和多层α-moo₃薄膜材料，并测得在工作温度为300 ℃时，单层和多层膜均对氢气有良好的响应，其中多层膜的选择性更好，且响应-恢复时间更短。

传统moo₃薄膜材料由于其工作温度高、响应-恢复时间长、不易制作器件等缺点难以进行规模化市场应用，而一维纳米材料因为其具有较大长径比、电子沿轴线传输、比表面积大、小尺寸效应且不易发生团聚等优点^[13,16]，在气体传感器领域具有广阔的应用前景。一维结构moo₃纳米带材料可形成具有大量孔隙的三维网格，有利于气体在敏感层快速扩散，缩短材料的响应时间。这使得moo₃纳米材料在探测h₂方面具有更显著的优势。2010年，m. b. rahmani等人^[17]用热蒸发法在石英基底的金叉指结构上沉积moo₃纳米带材料，纳米带的平均宽度约为5 μm，长度约为50 μm，厚度约为30 nm，并研究了基于moo₃纳米带材料气体传感器的氢敏性能，测试结果显示其在225 ℃时对1%h₂的响应约为24%。2017年，xiantao luo等人^[18]通过水热法合成moo₃纳米线，并在疏水性基材上自组装获得moo₃纳米线纸材料，对其进行氢敏性能测试，测试结果显示moo₃纳米线纸材料在室温下对100 ppm-1.5%h₂都表现出良好的氢敏响应。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

（1）材料制备：用双氧水氧化法制备出moo₃溶胶，以其为前驱体，采用水热法制备moo₃纳米带材料，制得样品在管式气氛炉中热处理，通过控制载气中氧气含量来制得含有不同氧缺陷浓度的moo_3-x纳米带材料。

（2）材料表征：用xrd分析来确定材料的基本物相和分析材料的结晶性^[26]；用sem分析来观察材料的微观形貌^[27]；用tem分析来观察材料中粒子的大小、形貌和分布情况^[28]；用raman分析来分析材料结构；用tg分析来计算样品中的氧缺陷浓度；用xps分析来确定材料表面元素组成和价态。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告；

第4－6周：整理资料，在任务书的基础上，设计研究方案，确定切实可行的实验技术路线，了解相关的结构和性能的测试方法；撰写开题报告，开题答辩；

第7－9周：按照设计方案，制备moo_3-x纳米带，并其进行微观结构表征，探究反应时间、反应温度、载气浓度等工艺参数对moo_3-x纳米带缺陷浓度、物相等微观结构的影响；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] rout c s, kulkarni g u, rao c n r. room temperature hydrogen and hydrocarbon sensors based on single nanowires of metal oxides [j]. journal of physics d applied physics, 2007, 40(9): 2777.

[2] 陶长元, 唐金晶, 杜军, et al. 氢敏材料及氢气传感器的研究进展 [j]. 材料导报, 2005, 19(2): 9-11.

[3] hassan j j, mahdi m a, chin c w, et al. a high-sensitivity room-temperature hydrogen gas sensor based on oblique and vertical zno nanorod arrays [j]. sensors and actuators b: chemical, 2013, 176: 360-367.