石墨烯—金属氧化物气敏材料的制备与特性研究

发布时间：2017-09-16 15:12

  本文关键词：石墨烯—金属氧化物气敏材料的制备与特性研究

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【摘要】：作为一种新型气敏材料,石墨烯用于气体分子检测时具有良好的电学特性、较高的灵敏度和较低的检测极限等优点,将石墨烯与其他功能性气敏材料复合可进一步提高石墨烯基气体传感器的敏感性能。本文以微叉指电极为传感器件,将还原氧化石墨烯与金属氧化物纳米材料复合形成电阻型复合膜氨气传感器;对所制备的复合膜进行了表征与分析,系统测试了氨气传感器的敏感特性,并建立了气敏机理模型。论文主要包括以下两方面工作:1.将气喷工艺与热还原工艺相结合,制备了氧化锌/还原氧化石墨烯(ZnO/rGO)分层薄膜,研究了其室温氨敏特性,并优化了氧化石墨烯的喷涂量。紫外—可见光吸收光谱和X射线光电子能谱(XPS)分析表明氧化石墨烯(GO)被部分还原为还原氧化石墨烯;气敏特性结果表明ZnO/rGO分层薄膜相较单一rGO薄膜具有更高的灵敏度和更快的响应—恢复时间;当GO喷涂量为1.5 ml时,ZnO/rGO分层薄膜传感器具有最优的敏感特性,该传感器同时具有良好的可逆性、重复性和选择性。建立了ZnO/rGO分层薄膜传感器P-N异质结气敏机理模型,分析认为ZnO纳米颗粒的支撑作用和ZnO/rGO界面间的P-N异质结有利于气敏特性的提高。2.以四异丙醇钛和氧化石墨烯为原料,通过水热法制备了二氧化钛—还原氧化石墨烯(TiO2-rGO)复合气敏材料;采用喷涂工艺在叉指电极上制备了复合敏感薄膜,并对其进行了初步表征与气敏特性分析。紫外—可见光吸收光谱和红外光谱分析表明TiO2与rGO间具有显著的界面相互作用;形貌表征表明所生成的TiO2呈纳米颗粒状。气敏特性测试结果表明:与单一rGO膜相比,复合薄膜灵敏度更好,且恢复性和重复性更好。该传感器对10-50 ppm氨气同时具有良好的线性特性及选择性。初步建立了TiO2-rGO复合薄膜的氨敏响应机理模型,分析认为TiO2在气敏响应过程中具有一定的催化作用,有效降低了氨分子与石墨烯之间的能量势垒,从而提高了单一石墨烯材料的气敏性能。
【关键词】：NH3 石墨烯 金属氧化物 热还原 传感器
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB381;TP212
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 引言11-12
• 1.2 气体传感器简介12-15
• 1.2.1 检测原理与响应过程12-13
• 1.2.2 气体传感器的分类13-14
• 1.2.3 气体传感器的发展趋势14-15
• 1.3 石墨烯概述15-19
• 1.3.1 石墨烯的概念15-16
• 1.3.2 石墨烯材料的制备16-17
• 1.3.3 石墨烯的特性17-18
• 1.3.4 基于石墨烯及其衍生物的气体传感器研究动态18-19
• 1.4 石墨烯—金属氧化物型气体传感器的研究动态19-21
• 1.5 本论文的研究内容及意义21-23
• 第二章 基本原理与方法23-32
• 2.1 气体传感器结构设计与原理23-24
• 2.1.1 气体传感器结构设计23
• 2.1.2 气体传感器工作原理23-24
• 2.2 敏感薄膜材料的选择24-27
• 2.2.1 引言24
• 2.2.2 氧化锌24-25
• 2.2.3 二氧化钛25-26
• 2.2.4 石墨烯26-27
• 2.3 气敏特性测试与薄膜表征27-31
• 2.3.1 主要特性参数27-28
• 2.3.2 特性测试装置28-29
• 2.3.3 薄膜表征方法29-31
• 2.3.3.1 扫描电子显微镜（SEM）29
• 2.3.3.2 紫外—可见分光光度法（UV-Vis）29-30
• 2.3.3.3 拉曼光谱分析法（RAMAN）30
• 2.3.3.4 X射线衍射分析法（XRD）30
• 2.3.3.5 电流—电压分析法（I-V）30
• 2.3.3.6 红外吸收光谱分析法（IR）30-31
• 2.3.3.7 X射线光电子能谱分析法（XPS）31
• 2.4 本章小结31-32
• 第三章 ZnO/rGO分层薄膜NH3传感器的制备及研究32-45
• 3.1 引言32-33
• 3.2 ZnO/rGO分层纳米薄膜的制备与表征33-40
• 3.2.1 实验原料与仪器33
• 3.2.2 ZnO/rGO分层纳米薄膜的制备33-34
• 3.2.2.1 叉指电极预处理33
• 3.2.2.2 ZnO/rGO分层纳米薄膜的制备33-34
• 3.2.3 ZnO/rGO分层纳米薄膜的表征与分析34-40
• 3.2.3.1 ZnO/rGO分层纳米薄膜的紫外——可见光谱分析34-35
• 3.2.3.2 ZnO/rGO分层纳米薄膜的扫描电镜分析35
• 3.2.3.3 ZnO/rGO分层纳米薄膜的I-V特性分析35-36
• 3.2.3.4 ZnO/rGO分层纳米薄膜的拉曼光谱分析36-37
• 3.2.3.5 ZnO/rGO分层纳米薄膜的X射线衍射分析（XRD）37-38
• 3.2.3.6 ZnO/rGO分层纳米薄膜的红外吸收光谱分析38
• 3.2.3.7 ZnO/rGO分层纳米薄膜的X射线光电子能谱分析（XPS）38-40
• 3.3 分层薄膜NH3敏感特性研究与机理分析40-44
• 3.3.1 不同氧化石墨烯量对NH3敏感特性的影响40-41
• 3.3.2 优化的传感器气敏性能测试41-43
• 3.3.3 气敏机理分析43-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第四章 TiO_2-rGO复合材料传感器的研究45-55
• 4.1 引言45
• 4.2 TiO_2-rGO复合纳米薄膜的制备与表征45-46
• 4.2.1 实验原料与仪器45-46
• 4.2.2 TiO_2-rGO复合纳米薄膜的制备46
• 4.2.2.1 叉指电极预处理46
• 4.2.2.2 TiO_2-rGO复合纳米薄膜的制备46
• 4.3 TiO_2-rGO复合纳米薄膜的表征与分析46-50
• 4.3.1 表面形貌分析46-48
• 4.3.2 红外光谱分析48-49
• 4.3.3 紫外—可见光谱分析49
• 4.3.4 拉曼光谱分析49-50
• 4.4 TiO_2-rGO复合纳米薄膜传感器气敏性能测试50-53
• 4.4.1 复合薄膜与单一薄膜传感器的性能对比研究50-51
• 4.4.2 复合薄膜对不同浓度氨气的响应特性51-53
• 4.4.3 选择性测试53
• 4.5 气敏机理分析53-54
• 4.6 本章小结54-55
• 第五章 结论与展望55-57
• 5.1 结论55-56
• 5.2 展望56-57
• 致谢57-58
• 参考文献58-62
• 攻硕期间取得的研究成果62-63

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