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《畢業(yè)設(shè)(論文)--甲烷氣體傳感元件研究》由會(huì)員上傳分享,免費(fèi)在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫(kù)。
1、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目甲烷氣體傳感元件研究專業(yè)名稱應(yīng)用化學(xué)班級(jí)學(xué)號(hào)xxxxxxxx學(xué)生姓名xxx指導(dǎo)教師xxx填表日期xxxx年xx月xx日xxxx大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文1前言1.1甲烷氣體傳感元件的研究現(xiàn)狀甲烷(CH4)是天然氣、沼氣和多種液體燃料的主要成份,在工業(yè)領(lǐng)域和日常生活中廣泛應(yīng)用,是典型的易燃易爆氣體,在大氣中爆炸的下限為5.3%。國(guó)家《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定的CH4傳感器的斷電濃度更是低到0.5%~1.5%。及時(shí)檢測(cè)CH4的產(chǎn)生源、泄露源及濃度,對(duì)工礦安全運(yùn)行、人身安全及環(huán)境保護(hù)有著
2、十分重要的作用。2002年至2005年8月,全國(guó)煤礦發(fā)生特大事故29起,死亡1743人,其中,瓦斯爆炸事故24起,死亡1579人,事故起數(shù)和死亡人數(shù)分別占83%和91%。因此,研制低成本、高靈敏度和良好選擇性的甲烷傳感器及相應(yīng)的敏感材料具有重大意義和廣闊前景[1]。目前,對(duì)CH4的檢測(cè)方法主要有載體催化法、半導(dǎo)體氣敏傳感器法、吸收型光纖傳感器法、電化學(xué)法以及紅外光譜法[2-5]。載體催化元件是礦井中檢測(cè)CH4的主要元件,但存在一些缺陷。因此,當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)主要集中在半導(dǎo)體氣敏傳感器上。與其他檢測(cè)手段
3、相比,以二氧化錫(SnO2)為主要基材的半導(dǎo)體氣敏傳感器具有靈敏度高、探測(cè)范圍廣、與氣體反應(yīng)快、制備成本低等優(yōu)點(diǎn),是今后礦井中用于檢測(cè)CH4氣體的主要產(chǎn)品之一。1.1.1載體催化元件目前,礦井中用于檢測(cè)甲烷的經(jīng)濟(jì)有效的方法仍是20世紀(jì)50年代源于英國(guó)的載體催化法,即利用材料對(duì)氣體接觸燃燒的反應(yīng)熱改變另一種材料電阻特性的催化燃燒法。元件以Φ0.02~0.05mm的高性能鉑(Pt)絲螺旋圈為骨架,外面包覆惰性難熔白色多孔材料(Al2O3)為載體,燒結(jié)成球狀,習(xí)慣上稱白元件。載體外若涂覆或浸漬上由活性棕黑色催
4、化劑組成的外殼,燒結(jié)后稱為黑元件。阻值相近的黑白元件選配連接后和補(bǔ)償電阻一起構(gòu)成惠斯登電橋,裝上元件帽,經(jīng)過(guò)灌封處理成為實(shí)用的甲烷傳感頭,俗稱黑白元件。1.1.2半導(dǎo)體氣敏傳感元件半導(dǎo)體氣敏傳感元件利用敏感材料表面吸附、脫附氣體分子使自身電導(dǎo)率發(fā)生變化來(lái)檢測(cè)氣體。我國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)半導(dǎo)體CH4氣敏元件。SnO2是一種表面控制型、寬隙的N型半導(dǎo)體,是目前在研制和開(kāi)發(fā)CH4檢測(cè)中最常用的氣敏材料。-31-xxxx大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)主要集中在(加熱型)半導(dǎo)體氣敏
5、傳感器上,這主要是因?yàn)榘雽?dǎo)體甲烷氣敏元件具有選擇性好、抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、響應(yīng)速度快、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。氧化物半導(dǎo)體甲烷傳感器主要以氧化物半導(dǎo)體(氧化錫、氧化鈦等N型半導(dǎo)體)為基本材料,它利用甲烷和吸附氧在材料表面的反應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)。在加熱電壓作用下(激發(fā)產(chǎn)生電子躍遷),材料中氧缺陷的存在使該材料能根據(jù)周圍的氣氛構(gòu)成非化學(xué)計(jì)量結(jié)構(gòu),氧接收躍遷電子在材料表面被氧化為O2(吸附)-、O(吸附)-、O(吸附)2-3種吸附態(tài),該過(guò)程吸收了表層材料導(dǎo)帶內(nèi)的電子,使耗盡層增加,導(dǎo)電性下降。此時(shí),材料若暴露于CH4中,
6、CH4將與材料表面的吸附氧反應(yīng),使表面的氧濃度降低,電子又被釋放回到導(dǎo)帶中使導(dǎo)電性上升。高溫時(shí),CH4還會(huì)進(jìn)一步和晶格氧發(fā)生反應(yīng),生成CO2和水蒸汽以及中間體CHn、CHnO,新形成的氧空穴成為施主失去電子,通過(guò)導(dǎo)帶傳送電子使材料導(dǎo)電性進(jìn)一步上升。但是,該類傳感器也要在一定的溫度(300℃左右)下才能使半導(dǎo)體材料激發(fā)電子躍遷產(chǎn)生催化活性,故該類催化劑的穩(wěn)定性也比較差。1.1.3其他類型氣敏傳感元件其他類型的方法還有紅外光譜法等。雖然紅外光譜法具有選擇性好、抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),但是其
7、價(jià)格昂貴,因而應(yīng)用較少。1.2半導(dǎo)體甲烷傳感器的研究進(jìn)展該類型元件的發(fā)展趨勢(shì)是朝著低溫或常溫型發(fā)展,但大部分的研究都是通過(guò)各種改性,如過(guò)渡金屬摻雜、半導(dǎo)體復(fù)合等,也有采用平面旁熱式的方法的,以此來(lái)降低臨界反應(yīng)溫度。而關(guān)于常溫型的半導(dǎo)體氣敏元件還未見(jiàn)報(bào)道。盡管甲烷是分子結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種碳?xì)錃怏w,但由于其結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,導(dǎo)致了其分解困難,自燃溫度點(diǎn)高,活性低,進(jìn)而導(dǎo)致了傳感器對(duì)它的靈敏度低。人們對(duì)氣敏氧化物半導(dǎo)體的研究主要以提高氧化物的對(duì)甲烷的靈敏度、選擇性、快速響應(yīng)和恢復(fù)能力以及其工作的穩(wěn)定性為主要內(nèi)容。為
8、此研究者主要在以下幾個(gè)方面開(kāi)展研究。1.2.1 在半導(dǎo)體甲烷敏感材料中添加催化劑根據(jù)晶界勢(shì)壘模型和吸附氧理論,氧化物半導(dǎo)體對(duì)甲烷的探測(cè)實(shí)質(zhì)上是氧氣和甲烷氣體在半導(dǎo)體表面吸附和進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程。過(guò)渡金屬,特別是貴金屬,如Pd、Au、Pt具有良好的催化特性,對(duì)甲烷與氧氣化學(xué)反應(yīng)速度有極其重要的作用,能有效地提高半導(dǎo)體元件的靈敏度和響應(yīng)時(shí)間,因此被廣泛地用于摻雜以提高元件的敏感特性。1.2.1.1摻雜金屬的SnO2傳感器的研究為了同時(shí)擁有化學(xué)氣