基于石墨烯复合薄膜的QCM气体传感器的研究

发布时间：2019-08-24 17:52

【摘要】：石墨烯在众多方面都拥有优秀的性能,诸如机械特性、电子的运输能力和比表面积等,这些优秀的特性使得它适合作为新型气敏材料在传感器制备过程中使用。但单一的石墨烯对气体的选择性较差,因此本文使用了石英晶体微天平器件(QCM),通过将拥有高比表面积的石墨烯与高选择性的有机高分子聚合物进行复合,制备出了基于石墨烯/有机高分子聚合物复合薄膜的QCM气体传感器。本文从气敏响应机理出发,首先对不同种类石墨烯材料进行了表征分析,通过表征分析探讨了不同种类石墨烯可能会对气敏响应造成的影响,同时对用于复合的有机聚合物材料所应该具备的特性进行了讨论,最终选择了聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和聚丙烯酸(PAA)作为敏感材料与氧化石墨烯(GO)进行复合,通过气喷成膜的方式制备出PVP/GO和PAA/GO两种复合薄膜QCM器件,并分别探究了其气敏机理、表征与器件的气敏特性。在石墨烯/有机聚合物复合薄膜器件研究方面,首先,对PVP/GO复合薄膜用红外、紫外、拉曼光谱、SEM与BET等手段进行了表征分析,发现在PVP中加入GO材料后有助于增加薄膜的比表面积,提供更多的气体吸附点以提高气敏响应;其次,本文还通过尝试改变不同的浓度配比等因素来改变敏感复合薄膜的制备工艺,并最终得出了具备最佳敏感特性的薄膜制备参数。实验结果表明使用最佳制备工艺参数制备的基于PVP/GO复合薄膜的QCM气体传感器,相比于单纯PVP薄膜以及PVP-GO分层薄膜器件的灵敏度高,重复性好,对氨气具有良好的选择性,但其长期稳定性由于保存方式等因素的影响,有待于进一步改善。然后制备了基于PAA/GO复合薄膜的器件,对PAA/GO复合薄膜进行了红外、紫外、SEM表征分析,分析了引入GO之后对于薄膜官能团的影响以及形貌等方面的改变。接着,通过复合薄膜的制备工艺参数的改变,探索得到了最佳性能薄膜制备工艺。最后,同样对该器件进行了气敏测试,通过测试结果发现,基于PAA/GO复合薄膜的QCM气体传感器的灵敏度高,重复性好,线性度高,对氨气的选择性好,同时其长期稳定性相比于PVP/GO复合薄膜得到了良好的改善。本文所制备的基于PVP/GO和PAA/GO两种复合薄膜的QCM气体传感器气敏性能良好,适用于室温下对氨气的检测。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP212

【参考文献】