【摘要】：日益嚴(yán)重的空氣污染已經(jīng)對(duì)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(duì)有毒有害氣體實(shí)時(shí)快速檢測(cè)的高靈敏度氣體傳感器具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。自石墨烯發(fā)現(xiàn)以來(lái),由于其極大的比表面積和優(yōu)異的電學(xué)特性,對(duì)氣體分子具有出色的室溫檢測(cè)能力。但是單一的石墨烯作為氣體傳感器敏感材料時(shí),受制于本征褶皺和電子累積效應(yīng),存在響應(yīng)不飽和、恢復(fù)困難和選擇性差等不足。本文針對(duì)以上問(wèn)題,設(shè)計(jì)制備了基于叉指電極的多種石墨烯與金屬氧化物、導(dǎo)電聚合物復(fù)合增強(qiáng)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(dǎo)電聚合物復(fù)合薄膜制備工藝、研制rGO-金屬氧化物-導(dǎo)電聚合物三元復(fù)合氣體敏感材料、完善氧化石墨烯(GO)熱還原物理化學(xué)機(jī)制和改進(jìn)rGO薄膜物理結(jié)構(gòu)形貌等方面進(jìn)行研究,展開(kāi)了一系列敏感材料制備、結(jié)構(gòu)特性表征和氣敏性能研究,并進(jìn)行了相關(guān)機(jī)理分析。主要內(nèi)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(fù)合薄膜氨氣(NH_3)傳感器,實(shí)現(xiàn)了rGO水分散液與P3HT氯仿溶液,不互溶材料之間的“準(zhǔn)氣態(tài)”分散復(fù)合。表征結(jié)果顯示復(fù)合薄膜形成了獨(dú)特的疏松狀綿體結(jié)構(gòu),rGO和P3HT之間有較強(qiáng)的π電子共軛作用。NH_3的氣敏測(cè)試分析結(jié)果顯示,rGO-P3HT復(fù)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(zhì)結(jié),能顯著改善單一材料的電導(dǎo)率和電子傳輸性能,因此復(fù)合氣敏薄膜傳感器具有明顯改善的響應(yīng)度、靈敏度、重復(fù)性、響應(yīng)恢復(fù)速率和選擇性等室溫氣敏性能。2.利用原位化學(xué)氧化聚合法制備了rGO@氧化錫(SnO_2)-聚苯胺(PANI)復(fù)合材料,并旋涂成膜,研究了復(fù)合薄膜傳感器對(duì)NH_3的敏感特性和響應(yīng)機(jī)理。光譜分析結(jié)果顯示,復(fù)合材料之間具有較強(qiáng)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(jié)果顯示復(fù)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(jié)構(gòu)。薄膜形貌分析結(jié)果表明,rGOS-PANI復(fù)合薄膜具有多孔結(jié)構(gòu),并且引入rGOS以后能獲得更細(xì)的PANI納米纖維,產(chǎn)生更大的比表面積。因此相比于單一rGOS和PANI傳感器,復(fù)合薄膜NH_3傳感器在恢復(fù)時(shí)間、重復(fù)性和靈敏度等性能方面表現(xiàn)出較大優(yōu)勢(shì)。此外通過(guò)噪音理論擬合推算出復(fù)合傳感器檢測(cè)極限達(dá)到69 ppb,而單一PANI傳感器檢測(cè)極限為803 ppb,進(jìn)一步表明rGOS的引入能極大地增強(qiáng)復(fù)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(fù)合薄膜傳感器對(duì)甲醛的氣敏響應(yīng)特性。通過(guò)光譜分析,熱還原后的rGO與TiO_2之間產(chǎn)生了鈦-氧-碳(Ti-O-C)化學(xué)鍵合。利用掃描電鏡發(fā)現(xiàn)了GO在熱還原過(guò)程中的分裂行為,分析認(rèn)為主要原因是由于石墨烯負(fù)的熱膨脹特性,熱處理在有效去除GO表面含氧官能團(tuán)的同時(shí),會(huì)產(chǎn)生碳原子片層收縮應(yīng)力,不斷累積的應(yīng)力會(huì)沿著網(wǎng)格表面缺失的碳原子空位撕扯,導(dǎo)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(diǎn),可以抑制rGO的分裂行為。經(jīng)過(guò)測(cè)試,單一rGO傳感器電阻為19.78 kΩ,復(fù)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(dǎo)電特性。通過(guò)對(duì)0.1 ppm-0.5 ppm甲醛的室溫檢測(cè),復(fù)合薄膜傳感器表現(xiàn)出良好的氣敏響應(yīng)特性。此外通過(guò)rGO/TiO_2(rGO在上)和TiO_2/rGO(rGO在下)分層復(fù)合薄膜的對(duì)照實(shí)驗(yàn),分析驗(yàn)證了TiO_2的氣敏響應(yīng)作用機(jī)制。結(jié)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(fù)合薄膜對(duì)甲醛的氣敏特性。4.利用水熱法制備了rGO-TiO_2復(fù)合薄膜,研究了TiO_2對(duì)rGO薄膜物理形貌的影響,并對(duì)復(fù)合薄膜的NH_3響應(yīng)特性進(jìn)行了研究。光譜分析結(jié)果表明,GO在含氧官能團(tuán)去除的過(guò)程中,可以與水解生成的TiO_2形成Ti-O-C鍵,有較強(qiáng)的相互作用。形貌分析結(jié)果顯示,TiO_2的引入能獲得多孔結(jié)構(gòu)的rGO薄膜。然而不同的TiO_2摻量會(huì)影響復(fù)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(zhì)量比為1:96制備的rGO-96TiO_2復(fù)合薄膜傳感器具有最優(yōu)的氣敏性能,響應(yīng)度達(dá)到-1.7,恢復(fù)率為100%,響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間分別為114 s和304 s。相比于單一rGO傳感器,復(fù)合薄膜傳感器改善的NH_3氣敏性能主要得益于水熱反應(yīng)中水解生成的TiO_2修飾了rGO的物理結(jié)構(gòu)形貌,增大了體系比表面積,增多了氣體分子活性吸附位點(diǎn)。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TQ127.11;TB383.2

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本文編號(hào)：2593682