基于氧化石墨烯复合物的新型气湿敏传感器研究

发布时间：2020-04-24 07:49

【摘要】：气湿敏传感器在公共安全、人类健康及环境监测等领域具有广泛的应用前景。利用纳米材料的大比表面积、高反应活性等特性,增大对待测气体或湿度的吸附能力,从而提高气湿敏传感器的灵敏度等参数,是一个重要的研究方向。一些纳米材料(尤其是纳米碳材料)在大部分溶剂中(水、乙醇等)存在易团聚、溶解性较差的问题。这使得纳米碳材料的实际比表面积大大低于其理论值,导致基于纳米碳材料构建的传感器性能受限。氧化石墨烯(GO)是一种由碳原子组成的二维纳米材料,具有大比表面积、在大部分水性溶剂中良好的可溶性和对纳米碳材料的优良分散性。本论文利用GO水溶液作为分散剂,研究了几种纳米碳材料在其中的分散性,分析了复合材料间的协同效应、离子电导等相互作用机理,探讨了它们在气湿敏传感中的应用。论文的主要工作如下:(1)研究了氧化石墨烯(GO)对富勒烯(C60)的分散性,得到均匀分散的氧化石墨烯/富勒烯(GO/C60)复合溶液,在此基础上以叉指电极为换能器,构建了氧化石墨烯/富勒烯(GO/C60)传感器。本研究利用了GO和C60之间的相互作用来抑制C60的团聚,增强了其在复合溶液中的分散性,从而增大复合材料GO/C60的实际比表面积,来提高GO/C60湿度传感器的湿敏特性。测试结果表明,与C60湿度传感器相比,GO/C60湿度传感器在保持较高稳定性的同时提高了响应灵敏度。这部分工作为以GO水溶液作为分散剂进行的复合纳米碳湿敏传感器研究奠定了一定的基础。(2)以氧化石墨烯(GO)水溶液为溶剂,考察了GO对多壁碳纳米管(MWCNTs)的分散性并在叉指电极上构建了GO/MWCNT湿度传感器。研究发现在基于三种敏感膜层(GO、MWCNTs和GO/MWCNT)构建的传感器中,GO/MWCNT传感器具有最高的灵敏度。结合GO/MWCNT复合湿敏薄膜的微观结构特征,研究了GO/MWCNT复合湿敏薄膜中两种材料之间存在的协同作用并解释了传感器的响应机制。(3)结合石英晶体微天平(QCM)测量技术,利用敏感膜吸收水分子后的质量改变以及膜层机械模量改变造成的频率变化,提出了一种提高QCM湿度传感器灵敏度的方法,制备了GO/MWCNT湿度传感器。结合阻抗测试和等效电路参数变化,分析了电极表面涂覆薄膜性质改变对传感器特性的影响。(4)提出将高弹性模量GO层作为QCM电极隔离层的方法,结合敏感层PANI对氨气的吸附作用,制备了一种新型双层结构GO-PANI薄膜修饰的高稳定度QCM氨气传感器。通过扫描频率和振荡电路法分别研究了GO修饰QCM氨气传感器的灵敏度响应、动态响应和恢复特性。进一步的复阻抗等效电路分析表明双层结构GO-PANI薄膜修饰的QCM在氨气浓度变化过程中能保持较高的品质因数。这项研究为构建高稳定度的QCM氨气传感器提供了新思路。
【图文】：

西南交通大学博士研究生学位论文 第 1 章 绪 论究背景网技术结合了互联网+、RFID 技术、通信技术和无线传感技覆盖范围内物体与物体、人与物体之间的信息交流。物联网传感器、信息、通讯、互联网等众多领域，，主要包括感知识理服务和综合应用四个层次。第一层感知识别层是物联网的类繁多的传感器、逻辑控制器和数据接口等。感知识别层可备中获取数据的任务。

产的一些领域，如干燥食品业、木材和纸张加工业等都，需要精确控制生产加工的湿度区间[8]；在医疗行业，用寿命也是重要的工作。其中，关系仪器能否正常使用作环境湿度的稳定控制[9]。关于高稳定性湿度探测的一素酯胶片档案保存。在我国的中央档案馆、国家图书馆藏有大量以胶片为载体的电影胶片、航拍片等感光胶片片档案保存环境的温湿度是影响胶片长期保存的关键因遇到的技术难题之一。当湿度小于 60%时，胶片乳剂层化。当湿度大于时 60%，胶片影像层乳剂层逐渐变色，：表面粗糙度增大，光泽度降低，胶片片基层机械性能度恒定为 60%时，胶片含湿量最低。为了给醋酸纤维素对良好的保存环境，室内湿度需要稳定在 60%。这就需器对档案馆内环境湿度进行监控，避免传感器稳定性改，以保存好这类珍贵的胶片档案。
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212

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本文编号：2638706