【摘要】：日益嚴重的空氣污染已經對人們身體健康和公共安全造成了重大威脅和傷害,因此研制對有毒有害氣體實時快速檢測的高靈敏度氣體傳感器具有重要的理論和實際應用價值。自石墨烯發(fā)現(xiàn)以來,由于其極大的比表面積和優(yōu)異的電學特性,對氣體分子具有出色的室溫檢測能力。但是單一的石墨烯作為氣體傳感器敏感材料時,受制于本征褶皺和電子累積效應,存在響應不飽和、恢復困難和選擇性差等不足。本文針對以上問題,設計制備了基于叉指電極的多種石墨烯與金屬氧化物、導電聚合物復合增強型敏感薄膜氣體傳感器,分別從優(yōu)化還原氧化石墨烯(rGO)與導電聚合物復合薄膜制備工藝、研制rGO-金屬氧化物-導電聚合物三元復合氣體敏感材料、完善氧化石墨烯(GO)熱還原物理化學機制和改進rGO薄膜物理結構形貌等方面進行研究,展開了一系列敏感材料制備、結構特性表征和氣敏性能研究,并進行了相關機理分析。主要內容歸納如下:1.利用共噴混合法制備了rGO-聚(3-己基噻吩-2,5-二基)(P3HT)復合薄膜氨氣(NH_3)傳感器,實現(xiàn)了rGO水分散液與P3HT氯仿溶液,不互溶材料之間的“準氣態(tài)”分散復合。表征結果顯示復合薄膜形成了獨特的疏松狀綿體結構,rGO和P3HT之間有較強的π電子共軛作用。NH_3的氣敏測試分析結果顯示,rGO-P3HT復合薄膜由于豐富的接觸界面,更容易形成π電子共軛系統(tǒng)和p-n異質結,能顯著改善單一材料的電導率和電子傳輸性能,因此復合氣敏薄膜傳感器具有明顯改善的響應度、靈敏度、重復性、響應恢復速率和選擇性等室溫氣敏性能。2.利用原位化學氧化聚合法制備了rGO@氧化錫(SnO_2)-聚苯胺(PANI)復合材料,并旋涂成膜,研究了復合薄膜傳感器對NH_3的敏感特性和響應機理。光譜分析結果顯示,復合材料之間具有較強的分子間相互作用力和拓寬的能帶間隙。X射線衍射(XRD)分析結果顯示復合材料中,rGO@SnO_2(rGOS)與PANI納米纖維之間相互錨定,具有穩(wěn)定的物理結構。薄膜形貌分析結果表明,rGOS-PANI復合薄膜具有多孔結構,并且引入rGOS以后能獲得更細的PANI納米纖維,產生更大的比表面積。因此相比于單一rGOS和PANI傳感器,復合薄膜NH_3傳感器在恢復時間、重復性和靈敏度等性能方面表現(xiàn)出較大優(yōu)勢。此外通過噪音理論擬合推算出復合傳感器檢測極限達到69 ppb,而單一PANI傳感器檢測極限為803 ppb,進一步表明rGOS的引入能極大地增強復合薄膜傳感器的NH_3敏感特性。3.利用氣噴熱還原工藝制備并研究了rGO/二氧化鈦(TiO_2)分層復合薄膜傳感器對甲醛的氣敏響應特性。通過光譜分析,熱還原后的rGO與TiO_2之間產生了鈦-氧-碳(Ti-O-C)化學鍵合。利用掃描電鏡發(fā)現(xiàn)了GO在熱還原過程中的分裂行為,分析認為主要原因是由于石墨烯負的熱膨脹特性,熱處理在有效去除GO表面含氧官能團的同時,會產生碳原子片層收縮應力,不斷累積的應力會沿著網格表面缺失的碳原子空位撕扯,導致碳原子片層斷裂分離。TiO_2納米顆粒作為碳原子層的支點,可以抑制rGO的分裂行為。經過測試,單一rGO傳感器電阻為19.78 kΩ,復合傳感器電阻為1.27 kΩ,因此TiO_2能有效保持碳原子層良好的導電特性。通過對0.1 ppm-0.5 ppm甲醛的室溫檢測,復合薄膜傳感器表現(xiàn)出良好的氣敏響應特性。此外通過rGO/TiO_2(rGO在上)和TiO_2/rGO(rGO在下)分層復合薄膜的對照實驗,分析驗證了TiO_2的氣敏響應作用機制。結果證明TiO_2納米顆粒的催化活性和物理支撐作用共同改善了rGO/TiO_2分層復合薄膜對甲醛的氣敏特性。4.利用水熱法制備了rGO-TiO_2復合薄膜,研究了TiO_2對rGO薄膜物理形貌的影響,并對復合薄膜的NH_3響應特性進行了研究。光譜分析結果表明,GO在含氧官能團去除的過程中,可以與水解生成的TiO_2形成Ti-O-C鍵,有較強的相互作用。形貌分析結果顯示,TiO_2的引入能獲得多孔結構的rGO薄膜。然而不同的TiO_2摻量會影響復合傳感器的NH_3氣敏特性,在10 ppm濃度NH_3下,其中GO與鈦酸四異丙酯(TTIP)質量比為1:96制備的rGO-96TiO_2復合薄膜傳感器具有最優(yōu)的氣敏性能,響應度達到-1.7,恢復率為100%,響應時間和恢復時間分別為114 s和304 s。相比于單一rGO傳感器,復合薄膜傳感器改善的NH_3氣敏性能主要得益于水熱反應中水解生成的TiO_2修飾了rGO的物理結構形貌,增大了體系比表面積,增多了氣體分子活性吸附位點。
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ127.11;TB383.2

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