【摘要】：石墨烯是單原子厚度的二維晶體,具有巨大的比表面積,良好的機(jī)械力學(xué)性能,穩(wěn)定的物理、化學(xué)性質(zhì)和優(yōu)異的室溫導(dǎo)電性。因此,石墨烯及其復(fù)合物是研制各種傳感器的理想材料。本論文系統(tǒng)研究了石墨烯表面電化學(xué)活性位點(diǎn),制備了數(shù)種石墨烯基氣體傳感器和應(yīng)變傳感器并表征了其性能。主要內(nèi)容如下:以單層石墨烯作為研究對(duì)象,選擇性區(qū)域封裝邊緣位置和平面位置,分別得到邊緣電極和平面電極,并比較了二者電化學(xué)行為的差異。邊緣結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出比平面高出4個(gè)數(shù)量級(jí)的面積比電容量、更快的電子轉(zhuǎn)移速率以及更低的電催化過(guò)電位。石墨烯的平面可提供優(yōu)異的導(dǎo)電能力,而邊緣的缺陷結(jié)構(gòu)則是理想的能量存儲(chǔ)和電催化活性材料。通過(guò)在石墨烯表面共價(jià)修飾乙二胺基制備了乙二胺石墨烯,通過(guò)預(yù)還原-修飾-再還原法制備了磺化石墨烯。通過(guò)簡(jiǎn)單的浸涂技術(shù)分別將這兩種石墨烯材料組裝成超薄膜作為化學(xué)電阻型氣體傳感器的活性層。該傳感器可選擇性地檢測(cè)二氧化氮?dú)怏w;與單純的石墨烯相比,其檢測(cè)靈敏度有大幅度提高。在較寬的二氧化氮濃度范圍內(nèi),兩種傳感器的響應(yīng)信號(hào)都與氣體濃度之間表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系,具有良好的重現(xiàn)性和選擇性,并可通過(guò)氮?dú)獯祾邔?shí)現(xiàn)二氧化氮?dú)怏w可逆脫附。通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備了聚乙烯亞胺/聚乙烯醇復(fù)合纖維,表面組裝小尺寸單層石墨烯,得到石墨烯/聚合物復(fù)合纖維并將其直接應(yīng)用于電阻型二氧化氮?dú)怏w傳感器。該傳感器可在室溫條件下使用,靈敏度可達(dá)1.03 ppm-1,實(shí)驗(yàn)檢測(cè)限為150ppb,并具有良好的選擇性和循環(huán)可逆性。響應(yīng)和恢復(fù)速度也有較大幅度的提升。利用可再生資源頭發(fā)作為彈性體,表面組裝氧化石墨烯,通過(guò)進(jìn)一步還原得到還原石墨烯/頭發(fā)復(fù)合纖維并將其應(yīng)用于應(yīng)力傳感器。該傳感器超小超輕并具有良好的強(qiáng)度。由于基底材料具有良好的柔性和可塑性,傳感器可以為纖維、彈簧、也可編織成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。可用于檢測(cè)拉伸、彎曲、壓縮等不同應(yīng)力形變,作為可穿戴設(shè)備的一部分可用于手指彎曲的傳感,作為壓力開(kāi)關(guān)可檢測(cè)手指輕點(diǎn)的微小壓力。
[Abstract]:Graphene is a two-dimensional crystal with single atomic thickness. It has a large specific surface area, good mechanical and mechanical properties, stable physical and chemical properties and excellent conductivity at room temperature. Therefore, graphene and its complex are ideal materials for the development of various sensors. In this paper, the electrochemical active sites of graphene surface were systematically studied. Several graphene based gas sensors and strain sensors were prepared and their properties were characterized. The main contents are as follows: taking graphene monolayer as the research object, the edge electrode and the planar electrode were obtained respectively at the edge position and the plane position of the selective region encapsulation, and the difference of electrochemical behavior between them was compared. The edge structure shows four orders of magnitude higher area specific capacitance, faster electron transfer rate and lower electrocatalytic overpotential than the plane. The plane of graphene can provide excellent conductivity, while the defect structure at the edge is an ideal material for energy storage and electrocatalytic activity. Ethylenediamine graphene was prepared by covalent modification of ethylenediamine group on the surface of graphene, and sulfonated graphene was prepared by pre-reduction-modification-rereduction method. The two graphene materials were assembled into ultrathin film as the active layer of chemical resistive gas sensor by simple impregnation technique. The sensor can selectively detect nitrogen dioxide gas, and the sensitivity of the sensor is much higher than that of graphene alone. In a wide range of nitrogen dioxide concentrations, the response signals of the two sensors show a good linear relationship with the concentration of the gas, with good reproducibility and selectivity, and the reversible desorption of nitrogen dioxide gas can be realized by nitrogen gas blowing. Poly (ethyleneimine) / polyvinyl alcohol (PVA) composite fibers were prepared by electrospinning technique. The graphene / polymer composite fibers were fabricated on the surface of monolayer graphene and directly applied to the resistive nitrogen dioxide gas sensor. The sensor can be used at room temperature. The sensitivity of the sensor is up to 150ppb. The sensor has good selectivity and cyclic reversibility. Response and recovery speed has also been greatly improved. Using renewable hair as elastomer, graphene oxide was assembled on the surface, and the reduced graphene / hair composite fiber was obtained by further reduction and applied to the stress sensor. The sensor is super small and light and has good strength. Because the substrate material has good flexibility and plasticity, the sensor can be fiber, spring, or woven into a network structure. As a part of wearable device, it can be used as a sensor of finger bending, and as a pressure switch, it can be used to detect the tiny pressure of finger light point.
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TQ127.11;TP212

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 ;石墨烯相變研究取得新進(jìn)展[J];潤(rùn)滑與密封;2009年05期

2 ;科學(xué)家首次用納米管制造出石墨烯帶[J];電子元件與材料;2009年06期

3 ;石墨烯研究取得系列進(jìn)展[J];高科技與產(chǎn)業(yè)化;2009年06期

4 ;新材料石墨烯[J];材料工程;2009年08期

5 ;日本開(kāi)發(fā)出在藍(lán)寶石底板上制備石墨烯的技術(shù)[J];硅酸鹽通報(bào);2009年04期

6 馬圣乾;裴立振;康英杰;;石墨烯研究進(jìn)展[J];現(xiàn)代物理知識(shí);2009年04期

7 傅強(qiáng);包信和;;石墨烯的化學(xué)研究進(jìn)展[J];科學(xué)通報(bào);2009年18期

8 ;納米中心石墨烯相變研究取得新進(jìn)展[J];電子元件與材料;2009年10期

9 徐秀娟;秦金貴;李振;;石墨烯研究進(jìn)展[J];化學(xué)進(jìn)展;2009年12期

10 張偉娜;何偉;張新荔;;石墨烯的制備方法及其應(yīng)用特性[J];化工新型材料;2010年S1期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 成會(huì)明;;石墨烯的制備與應(yīng)用探索[A];中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)大會(huì)'2009論文摘要集[C];2009年

2 錢(qián)文;郝瑞;侯仰龍;;液相剝離制備高質(zhì)量石墨烯及其功能化[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第27屆學(xué)術(shù)年會(huì)第04分會(huì)場(chǎng)摘要集[C];2010年

3 張甲;胡平安;王振龍;李樂(lè);;石墨烯制備技術(shù)與應(yīng)用研究的最新進(jìn)展[A];第七屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（第3分冊(cè)）[C];2010年

4 趙東林;白利忠;謝衛(wèi)剛;沈曾民;;石墨烯的制備及其微波吸收性能研究[A];第七屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（第7分冊(cè)）[C];2010年

5 沈志剛;李金芝;易敏;;射流空化方法制備石墨烯研究[A];顆粒學(xué)最新進(jìn)展研討會(huì)——暨第十屆全國(guó)顆粒制備與處理研討會(huì)論文集[C];2011年

6 王冕;錢(qián)林茂;;石墨烯的微觀摩擦行為研究[A];2011年全國(guó)青年摩擦學(xué)與表面工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2011年

7 趙福剛;李維實(shí);;樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)功能化石墨烯[A];2011年全國(guó)高分子學(xué)術(shù)論文報(bào)告會(huì)論文摘要集[C];2011年

8 吳孝松;;碳化硅表面的外延石墨烯[A];2011中國(guó)材料研討會(huì)論文摘要集[C];2011年

9 周震;;后石墨烯和無(wú)機(jī)石墨烯材料:計(jì)算與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第28屆學(xué)術(shù)年會(huì)第4分會(huì)場(chǎng)摘要集[C];2012年

10 周琳;周璐珊;李波;吳迪;彭海琳;劉忠范;;石墨烯光化學(xué)修飾及尺寸效應(yīng)研究[A];2011中國(guó)材料研討會(huì)論文摘要集[C];2011年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前10條

1 姚耀;石墨烯研究取得系列進(jìn)展[N];中國(guó)化工報(bào);2009年

2 劉霞;韓用石墨烯制造出柔性透明觸摸屏[N];科技日?qǐng)?bào);2010年

3 記者 王艷紅;“解密”石墨烯到底有多奇妙[N];新華每日電訊;2010年

4 本報(bào)記者 李好宇 張們捷(實(shí)習(xí)) 特約記者 李季;石墨烯未來(lái)應(yīng)用的十大猜想[N];電腦報(bào);2010年

5 證券時(shí)報(bào)記者 向南;石墨烯貴過(guò)黃金15倍 生產(chǎn)不易炒作先行[N];證券時(shí)報(bào);2010年

6 本報(bào)特約撰稿 吳康迪;石墨烯 何以結(jié)緣諾貝爾獎(jiǎng)[N];計(jì)算機(jī)世界;2010年

7 記者 謝榮　通訊員 夏永祥 陳海泉 張光杰;石墨烯在泰實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化[N];泰州日?qǐng)?bào);2010年

8 本報(bào)記者 紀(jì)愛(ài)玲;石墨烯：市場(chǎng)未啟 炒作先行[N];中國(guó)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)導(dǎo)報(bào);2011年

9 周科競(jìng);再說(shuō)石墨烯的是與非[N];北京商報(bào);2011年

10 王小龍;新型石墨烯材料薄如紙硬如鋼[N];科技日?qǐng)?bào);2011年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 呂敏;雙層石墨烯的電和磁響應(yīng)[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

2 羅大超;化學(xué)修飾石墨烯的分離與評(píng)價(jià)[D];北京化工大學(xué);2011年

3 唐秀之;氧化石墨烯表面功能化修飾[D];北京化工大學(xué);2012年

4 王崇;石墨烯中缺陷修復(fù)機(jī)理的理論研究[D];吉林大學(xué);2013年

5 盛凱旋;石墨烯組裝體的制備及其電化學(xué)應(yīng)用研究[D];清華大學(xué);2013年

6 姜麗麗;石墨烯及其復(fù)合薄膜在電極材料中的研究[D];西南交通大學(xué);2015年

7 姚成立;多級(jí)結(jié)構(gòu)石墨烯/無(wú)機(jī)非金屬?gòu)?fù)合材料的仿生合成及機(jī)理研究[D];安徽大學(xué);2015年

8 伊丁;石墨烯吸附與自旋極化的第一性原理研究[D];山東大學(xué);2015年

9 梁巍;基于石墨烯的氧還原電催化劑的理論計(jì)算研究[D];武漢大學(xué);2014年

10 王義;石墨烯的模板導(dǎo)向制備及在電化學(xué)儲(chǔ)能和腫瘤靶向診療方面的應(yīng)用[D];復(fù)旦大學(xué);2014年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 詹曉偉;碳化硅外延石墨烯以及分子動(dòng)力學(xué)模擬研究[D];西安電子科技大學(xué);2011年

2 王晨;石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)及其對(duì)電化學(xué)性能的影響[D];北京化工大學(xué);2011年

3 苗偉;石墨烯制備及其缺陷研究[D];西北大學(xué);2011年

4 蔡宇凱;一種新型結(jié)構(gòu)的石墨烯納米器件的研究[D];南京郵電大學(xué);2012年

5 金麗玲;功能化石墨烯的酶學(xué)效應(yīng)研究[D];蘇州大學(xué);2012年

6 黃凌燕;石墨烯拉伸性能與尺度效應(yīng)的研究[D];華南理工大學(xué);2012年

7 劉汝盟;石墨烯熱振動(dòng)分析[D];南京航空航天大學(xué);2012年

8 雷軍;碳化硅上石墨烯的制備與表征[D];西安電子科技大學(xué);2012年

9 于金海;石墨烯的非共價(jià)功能化修飾及載藥系統(tǒng)研究[D];青島科技大學(xué);2012年

10 李晶;高分散性石墨烯的制備[D];上海交通大學(xué);2013年

，

本文編號(hào)：2216434