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【摘要】：乙炔氣體廣泛存在于油頁巖裂解氣和變壓器油溶解氣體中,因其爆炸下限極低、爆炸范圍廣而成為當下重點監測氣體之一。乙炔氣體傳感器在檢測油頁巖熱解過程中釋放的乙炔氣體、在線監測變壓器油溶解氣體等方面發揮著重大的作用。在眾多氣體傳感器中乙炔傳感器,半導體式氣體傳感器應用最為廣泛,但還存在響應-恢復時間慢、穩定性差等缺點。使用溶膠-凝膠法,以鈦酸丁酯為前驅體,制備TiO_2納米材料;使用水熱法乙炔傳感器,制備ZnO/TiO_2納米材料。通過XRD、SEM和BET等表征方法對納米材料的形貌與結構進行表征二氧化硫報警器,并將其制成氣敏元件。使用CGS-8智能氣敏分析系統測試氣敏元件對乙炔氣體的氣敏性能。對比測試結果發現,TiO_2納米材料對200 ppm乙炔氣體的響應時間為8 s,恢復時間為2 s,靈敏度為4.74;摻雜10%ZnO的TiO_2納米材料對200 ppm乙炔氣體的響應時間為5 s,恢復時間為2 s,靈敏度為9.9。摻雜ZnO后,氣體傳感器的靈敏度和穩定性得到了明顯的改善。主要研究工作如下:(1)采用溶膠-凝膠法制備了TiO_2納米材料,通過XRD、SEM等方法對其進行表征,結果顯示經600℃燒結后的納米材料為銳鈦礦型和金紅石型混合晶型,且顆粒邊界清晰,但有輕微的團聚現象。

將該納米材料制成氣體傳感器,測試其對乙炔氣體的敏感特性。測試結果表明:燒結溫度為600℃,工作溫度為280℃時,氣敏元件對乙炔氣體氣敏性能最好。測試該氣敏元件在0-30天老化時間內對同一濃度乙炔氣體的靈敏度發現,隨著老化時間的延長,靈敏度值稍有下降。(2)采用水熱法制備了四組摻雜不同比例(5%、8%、10%、12%)ZnO的TiO_2納米材料,通過XRD、SEM和BET等手段對其進行表征。SEM圖片顯示,TiO_2納米顆粒表面光滑,尺寸均一,只有輕微團聚現象,顆粒之間具有空隙,排列疏松,但顆粒尺寸較TiO_2納米顆粒的尺寸有所增大。將該納米材料制成氣敏元件,測試其對乙炔氣體的敏感特性。測試結果表明:摻雜不同比例ZnO的TiO_2氣敏元件的氣敏性能優于TiO_2氣敏元件可燃氣體報警器,其中,最佳摻雜比n(ZnO):n(TiO_2)=10%,最佳工作溫度為280℃乙炔傳感器,氣敏元件對200 ppm乙炔氣體靈敏度為9.9。將氣敏元件置于老化臺老化0-30天,對其進行穩定性測試可知,隨著ZnO摻雜比例的增加,傳感器對乙炔氣體的靈敏度變化幅度平緩,證明穩定性良好。(3)對TiO_2納米材料和摻雜ZnO的TiO_2納米材料進行了氣敏機理討論。ZnO的摻雜有效改善了TiO_2納米材料的團聚現象,比表面積增加,且為納米材料提供了更多的電子,使氣體的吸附與脫附速率提升,從而提高了氣敏響應。

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