本文關(guān)鍵詞：導(dǎo)電高分子復(fù)合材料的制備及其低溫氣敏性能研究　出處：《鄭州大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：氣敏材料的性能決定著氣敏元件及其氣體傳感器的性能。針對目前氣敏材料在使用過程中存在的問題,為進(jìn)一步提高其低溫氣敏性能,結(jié)合導(dǎo)電高分子材料、石墨烯及金屬氧化物的各自特性,本文系統(tǒng)研究了導(dǎo)電高分子復(fù)合材料的制備及其低溫氣敏性能。其主要內(nèi)容如下:1.將具有室溫氣敏性的導(dǎo)電高分子材料與比表面積較大、電子轉(zhuǎn)移能力較強(qiáng)的石墨烯相結(jié)合,通過原位化學(xué)氧化聚合法制備出了一種二元復(fù)合氣敏材料聚噻吩/石墨烯(PTh/rGO),并對其結(jié)構(gòu)和氣敏性能進(jìn)行了表征和測試分析。結(jié)果表明該復(fù)合材料在室溫下對NO_2的靈敏度和選擇性均優(yōu)于單一聚噻吩。2.金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏材料的缺點(diǎn)是操作溫度高(250-600℃),但其靈敏度、穩(wěn)定性和響應(yīng)恢復(fù)性能較好。為了進(jìn)一步提高導(dǎo)電高分子材料的低溫氣敏性能,將上述二元復(fù)合氣敏材料與相關(guān)金屬氧化物相結(jié)合,研究合成出了兩種三元導(dǎo)電高分子復(fù)合材料:聚噻吩/石墨烯/WO_3(PTh/rGO/WO_3)和聚吡咯/石墨烯/In_2O_3(PPy/rGO/In_2O_3)。研究過程中,首先利用水熱法合成出了兩種二元材料rGO/WO_3和r GO/In_2O_3,進(jìn)而采用化學(xué)氧化聚合法分別制備出了PTh/rGO/WO_3和PPy/r GO/In_2O_3兩種三元復(fù)合材料,并采用場發(fā)射掃描電鏡、透射電鏡、比表面積分析儀、紅外光譜儀、X射線衍射儀等手段對其結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行了表征,同時,還利用氣敏測試設(shè)備對其低溫氣敏性能進(jìn)行了測試。結(jié)果表明工作溫度在75℃或室溫下,其靈敏度、選擇性和響應(yīng)恢復(fù)性能均優(yōu)于二元復(fù)合材料。3.為了提高三元復(fù)合材料的穩(wěn)定性,本文在含有還原態(tài)金屬氧化物TiO_2和氧化石墨烯(GO)之間引入酰胺鍵,合成出TiO_2/GO后,再利用化學(xué)氧化聚合法將TiO_2/GO與導(dǎo)電高分子材料聚苯胺(PANI)進(jìn)行結(jié)合,從而成功合成出了三元復(fù)合材料PANI/TiO_2/GO,通過相關(guān)表征和測試手段,不僅說明三元復(fù)合材料中存在酰胺鍵,進(jìn)一步提高了材料的穩(wěn)定性,而且,室溫下對NH_3的靈敏度、選擇性及其元件的恢復(fù)性能均有所提高,是一種較佳的導(dǎo)電高分子三元復(fù)合氣敏材料。4.本文還探討了導(dǎo)電高分子材料與金屬氧化物半導(dǎo)體材料復(fù)合后在紫外光激發(fā)下的低溫氣敏性能,首先分別合成出了兩種中間體Zn_5(CO_3)_2(OH)_6納米片和ZnO_2,然后通過在400℃下煅燒分別得到ZnO納米片和富含氧空位缺陷的ZnO,再利用化學(xué)氧化聚合法分別與PANI和PTh結(jié)合,最后得到兩種導(dǎo)電高分子與金屬氧化物結(jié)合的二元復(fù)合材料PANI/ZnO和PTh/ZnO,同時對所制備的二種二元復(fù)合材料分別進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征和氣敏性能測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在紫外光激發(fā)下,兩種材料對乙醇?xì)怏w均具有較好的靈敏度和響應(yīng)與恢復(fù)性能,且穩(wěn)定性較好。在無紫外光照射時,二者對乙醇均沒有氣敏性,原因在于在紫外光照射下,有機(jī)與無機(jī)材料之間存在著電荷轉(zhuǎn)移的協(xié)同效應(yīng)。5.本文還對所合成復(fù)合材料的氣敏機(jī)理進(jìn)行了分析。導(dǎo)電高分子材料(PANI、PTh、PPy)具有室溫氣敏性能,可降低氣敏材料的操作溫度;金屬氧化物半導(dǎo)體材料的穩(wěn)定性好、靈敏度高、響應(yīng)和恢復(fù)時間短;石墨烯具有較大的比表面積和優(yōu)良的電子轉(zhuǎn)移能力,將三者進(jìn)行復(fù)合后,很好地發(fā)揮了三者之間的協(xié)同效應(yīng)。具體可歸納為三點(diǎn):第一、大的比表面積為表面化學(xué)反應(yīng)提供了充足的活性位點(diǎn),同時有利于氣體的快速擴(kuò)散;第二、金屬氧化物與石墨烯之間存在著電子轉(zhuǎn)移作用;第三、金屬氧化物(n型半導(dǎo)體)與導(dǎo)電高分子材料和石墨烯(p型半導(dǎo)體)之間可形成p-n異質(zhì)結(jié),通過異質(zhì)結(jié)也可產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移,從而表現(xiàn)出低溫下復(fù)合材料的較佳氣敏性能。
[Abstract]:The properties of gas sensitive materials determines the performance of gas sensor and gas sensor. According to the existing in the process of using gas sensitive materials at present, to further improve the low temperature gas sensing properties, combined with conductive polymer materials, their properties of graphene and metal oxides, this paper investigated the preparation of conductive polymer composites low temperature and gas sensing properties. The main contents are as follows: 1. conductive polymer materials will have room temperature of gas with large specific surface area, strong ability of electron transfer of graphene was prepared by combining a two element composite gas sensitive material polythiophene / graphene by in situ chemical oxidation polymerization (PTh/rGO). Then the structure and gas sensing properties were characterized and analyzed. The results show that the composite material at room temperature on NO_2 sensitivity and selectivity than single polythiophene.2. metal oxide semiconductor Gas sensitive materials is high operating temperature (250-600 degrees), but its sensitivity, stability and response performance. In order to further improve the low temperature gas sensitive properties of conductive polymer materials, the two element composite metal oxide gas sensitive materials and combining research, synthesis of two yuan of three kinds of conductive polymer composite material: polythiophene / graphene /WO_3 (PTh/rGO/WO_3) and Polypyrrole / graphene /In_2O_3 (PPy/rGO/In_2O_3). The course of the study, first by hydrothermal synthesis of two yuan of two kinds of materials of rGO/WO_3 and R GO/In_2O_3, which were prepared with PTh/rGO/WO_3 and PPy/r two GO/In_2O_3 three composite materials by chemical oxidation polymerization method, and by field emission scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, surface area analyzer, infrared spectrometer, the structure and morphology were characterized by X ray diffraction method at the same time, using the gas sensing The test equipment for the test of the low temperature gas sensing properties. The results show that the temperature of 75 DEG C or at room temperature, the sensitivity, selectivity and response recovery properties were better than the two.3. composites in order to improve the stability of three element composite material, this paper contains reducible metal oxide TiO_2 and graphene oxide (GO). The introduction of amide bonds, synthesized by TiO_2/GO, and then the chemical oxidative polymerization of TiO_2/GO and conductive polymer polyaniline (PANI) were combined to successfully synthesize three PANI/TiO_2/GO composites, through characterization and testing means, not only shows the presence of amide bonds three yuan in composite materials, to further improve the stability of materials moreover, the sensitivity of NH_3, room temperature, selectivity and element recovery performance were improved, is a kind of conductive polymer better three element composite gas sensitive material.4. in this paper The conductive polymer materials and metal oxide semiconductor composites under ultraviolet excitation at low temperature on gas sensing properties, were first synthesized two kinds of intermediate Zn_5 (CO_3) _2 (OH) _6 nanosheets and ZnO_2, and then was annealed at 400 were ZnO nanoplates and rich oxygen vacancies in ZnO. And then the chemical oxidative polymerization were combined with PANI and PTh, and finally get the two kinds of conductive polymer and metal oxide with the two element composite materials of PANI/ZnO and PTh/ZnO at the same time, the preparation of the two two yuan composite were characterized and the gas sensing performance test. The results showed that under the excitation of UV light, two kinds of materials have good sensitivity and response and recovery performance of ethanol gas, and better stability. In the absence of UV irradiation, the two are not gas sensitivity to alcohol, the reason lies in the UV light irradiation, Between organic and inorganic material have a synergistic effect of.5. charge transfer in this paper also analyzes the gas sensing mechanism of the synthesized composites. Conductive polymer materials (PANI, PTh, PPy) with room temperature sensing performance, can reduce the operating temperature of gas sensitive material; metal oxide semiconductor material has good stability, high sensitivity. Short response and recovery time; graphene has the specific surface area and excellent electron transfer capacity is large, the three compound, played a good synergistic effect between the three. The specific can be summarized in three points: first, the active site provides sufficient surface area for surface chemical reaction at the same time, favors the fast diffusion of gases; second, between the metal oxide and graphene has effect of electron transfer; third, metal oxides (n type semiconductor) and conductive polymer materials and Shi Moxi (P type semiconductor). The p-n heterojunction can be formed between the heterojunction and the electron transfer can be produced by the heterojunction, which shows the better gas sensitivity of the composite at low temperature.

【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TB381

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本文編號：1426061