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基于液料等离子喷涂的气敏涂层研究

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本课题组在过去5年里采用液料等离子喷涂法（溶液前驱体等离子喷涂、悬浮液等离子喷涂和悬浮液火焰喷涂），通过引入高浓度氧空位缺陷、窄带隙半导体敏化、构建同型或异型异质结以及还原石墨烯等方法地将ZnO的光谱吸收范围扩展到了可见光区域，显著的提高了可见光照射下ZnO在室温下对NO2的响应能力。
通过溶液等离子喷涂（SPPS）制备了高浓度氧空位缺陷态ZnO1-x涂层。UV-Vis吸收光谱表明氧空位的引入显著提高了ZnO对可见光的吸收能力，同时减小了其带隙宽度。可见光照射下高浓度氧缺陷态ZnO1-x涂层对ppm甚至ppb级NO2都有明显的室温气敏响应，但是灵敏度有限且响应和恢复时间较长，为了进一步提高气敏性能，利用构建同型和异型异质结的方法分别提高ZnO中的电子浓度（SnO1-α@ZnO1-β@SnO2-γ）以及其对可见光的吸收能力与范围（Cu2O1-α@ZnO1-β@CuO1-γ），明显改善了ZnO1-x基复合物的室温NO2气敏性能。通过悬浮液等离子喷涂（SPS）在传感器基体上沉积了多孔纳米结构CdS@ZnO涂层。采用醋酸锌和硫化镉的混合物作为喷涂的液料前驱体。为了探究喷涂距离对涂层性能的影响，采用80、90、100和110 mm四种喷涂距离。当喷涂距离增大时，涂层的结晶度更高，孔隙率更大，可见光的吸光范围更宽、能力更强，但是喷涂距离为110 mm涂层的结合强度较差，甚至部分涂层脱落，所以100 mm是最佳的喷涂距离。在可见光的照射下，CdS@ZnO涂层对1 ppm NO2表现出了优异的室温气敏响应。同时，可见光的波长和光强对涂层的气敏特性有明显的影响。当波长减小时，传感器的灵敏度先增大后减小，响应和恢复时间缩短。相似地，当光强增大时，传感器的灵敏度增大且响应和恢复时间降低，光强为0.15 W/cm2的绿光是最佳的照射光源，此时传感器的气敏性能最佳。通过悬浮火焰喷涂（SFS）在柔性聚丙烯基体上沉积分级结构ZnO二维纳米片，通过高温沉积法制备了柔性ZnO气体传感器。首先通过直接沉淀法合成分级结构ZnO二维纳米片粉末，接着将ZnO粉末溶于无水乙醇制成悬浮液，然后将ZnO悬浮液注入氧-乙炔高温焰流，最后在柔性聚丙烯基体上沉积含有高浓度氧空位的分级结构ZnO二维纳米片，SFS涂层的结构与初始粉末非常相似。气敏测试结果表明蓝光照射下SFS涂层对0.25-1.0 ppm NO2有优异的气敏响应。喷涂距离对ZnO的形貌、可见光吸收范围与能力、氧空位浓度以及NO2气敏性能有很大的影响。当喷涂距离增大时，涂层的颗粒尺寸更小，孔隙率更大，氧空位浓度更高，可见光吸收范围与能力更宽，NO2气敏性能更好。