基于纳米结构的化学物质检测材料的研究

发布时间：2017-07-01 01:09

  本文关键词：基于纳米结构的化学物质检测材料的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着社会工业化快速的发展,给人类带来丰富的物质财富的同时,对环境及人们的生活也带来了很严重的污染与破坏。例如工业废水及废气的排放、汽车尾气的排放等不仅大大的破坏环境而且对人们的人身安全也造成了严重的危害。因此对化学有害物质的检测与控制就显得非常重要。纳米材料因其具有独特的物理化学特性,因此其作为化学传感材料比一般材料有更好的灵敏度、选择性、稳定性等优点。所以纳米材料化学传感器在有害物质的检测等领域具有非常广泛的应用及发展前景。在工业与日常生活中,气态与液态的化学污染物是比较常见的两种污染物类型。针对气态化学物质的检测主要依赖气体传感器,针对液态化学物质的检测目前比较成熟的是基于表面增强拉曼光谱(SERS)的光化学传感器。因此利用纳米合成技术改进气敏传感器的性能是气体传感器的发展方向。同时使用纳米技术控制合成优良的SERS活性基底来增加材料对液体化学物质检测的敏感性能也是非常重要的。本论文一方面采用模板法及水热法分别结合物理气相沉积等方法合成了一系列纳米结构及表面修饰的半导体金属氧化物气敏材料;另一方面,我们采用X射线干涉光刻(XIL)以及深紫外光刻等合成方法制备了大面积有序的贵金属纳米材料,这些材料具有很好的SERS效果。具体工作主要包括以下几点:(1)利用聚苯乙烯微球(PS)作为模板,结合磁控溅射物理沉积方法制备了一系列的多层半导体金属氧化物多孔薄膜纳米材料。制备出的多层金属氧化物多孔薄膜材料的层与层之间可以形成异质结结构,从而在很大程度上提高了材料的气敏性能。我们利用该方法得到了p-n异质结的多层In2O3/Cu O多孔薄膜,并研究了该材料对甲醇、乙醇、H2S、NH3和丙酮等气体的灵敏度情况。该气敏材料在工作温度为250℃时,能实现对低浓度乙醇气体的有效检测。相对其它被测气体,其对乙醇的检测具有比较好的选择性能。并且还研究了气敏性能与材料的层数的关系。(2)利用水热法结合磁控溅射物理蒸发法合成出了表面修饰的六边形Co3O4纳米薄片。我们用这种方法合成了Cr修饰以及Zn O纳米颗粒修饰的六边形Co3O4纳米薄片。由于Cr具有比较好的催化性能,因此Cr对Co3O4纳米薄片的表面修饰使得其对乙醇的响应具有非常短的反应(1秒)及恢复时间(7秒)。而且在乙醇浓度非常低的时候,材料的气敏性能依然很好。对于Zn O纳米颗粒修饰的Co3O4纳米薄片,由于主体材料Co3O4与Zn O材料之间形成p-n异质结使得材料的气敏性能也得到了很大的提高,并且也具有超快的反应与恢复时间。(3)利用X射线干涉光刻结合电子束物理沉积的方法合成出了具有大面积、高度有序的Au纳米圆盘阵列。这种有序的纳米结构对罗丹明6G染料的检测具有很好的灵敏性、信号重复性、制备重现性及稳定性。材料对罗丹明6G检测极限可以达到10-8 M,而且具有很高的增强因子(106)。这种材料的SERS效应与圆盘的直径和间距有很大的关系。本文可以通过控制XIL过程中的曝光时间或显影时间来控制圆盘的直径和间距来得到具有较好SERS效果的纳米阵列。我们还可以用这种方法合成Au/Ag双层纳米圆盘阵列,这种双层纳米圆盘与Au纳米圆盘阵列相比具有更好的SERS效果。(4)利用普通的无模板紫外光刻技术、反应离子刻蚀技术以及电子束物理气相沉积方法合成出大面积、高度有序的Ag或Au/Ag纳米颗粒修饰的锥状Si纳米阵列。这种阵列化的纳米结构对罗丹明6G染料具有超灵敏的SERS增强效果。材料对罗丹明6G的检测极限可以达到10-15 M,而且具有非常高的SERS增强因子(1012)。这种高度有序的纳米阵列材料对苏丹红I染料也有很好的SERS效应,对检测分子的检测极限也可以达到非常低的程度。另外,我们可以在Ag纳米颗粒的表面沉积Au薄膜来增强材料的稳定性,以致材料在室温下保存一个月后还具有很强的SERS增强效果。因此这种纳米制备技术在制备超敏感、稳定性好的SERS化学传感器敏感材料中是一种非常好的制备方法。
【关键词】：化学传感器 纳米材料 气敏材料 SERS 金属颗粒
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-61
• 1.1 化学传感器12-13
• 1.1.1 化学传感器简介12
• 1.1.2 化学传感器的工作原理12-13
• 1.1.3 化学传感器的分类13
• 1.2 气体传感器13-15
• 1.2.1 气体传感器简介13-14
• 1.2.2 气体传感器分类14-15
• 1.3 半导体气敏传感器15-30
• 1.3.1 半导体气体传感器简介15-16
• 1.3.2 半导体金属氧化物气体传感器16-18
• 1.3.3 半导体金属氧化物气体传感器工作机理18-20
• 1.3.4 影响半导体金属氧化物气体传感器灵敏性的因素20-30
• 1.4 半导体纳米材料气敏传感器30-40
• 1.4.1 纳米材料的特性及合成方法30-33
• 1.4.2 基于纳米材料的气体传感器的研究现状和应用前景33-40
• 1.5 基于表面增强拉曼（SERS）的化学传感器40-46
• 1.5.1 SERS的简介40-41
• 1.5.2 SERS的机理41-42
• 1.5.3 基于纳米材料的SERS化学传感器42-46
• 1.6 本课题的立题依据和主要研究内容46-47
• 1.6.1 选题的目的和意义46-47
• 1.6.2 研究内容47
• 1.7 参考文献47-61
• 第二章 In_2O_3/CuO多层纳米多孔薄膜的合成、表征及气敏性能研究61-81
• 2.1 引言61-62
• 2.2 实验62-66
• 2.2.1 实验材料62-63
• 2.2.2 实验仪器63
• 2.2.3 具有p-n异质结构的In_2O_3/CuO多层多孔薄膜的制备63-64
• 2.2.4 多层In_2O_3/CuO多孔薄膜材料的气敏性能的测试64-65
• 2.2.5 近常压XPS对多孔气敏材料的机理的测试65-66
• 2.3 实验结果与讨论66-75
• 2.3.1 多层多孔In_2O_3/CuO薄膜的形貌与成分分析66-69
• 2.3.2 多层多孔In_2O_3/CuO薄膜的气敏性能的测试69-71
• 2.3.3 多孔In_2O_3/CuO薄膜p-n异质结对气敏性能的影响71-73
• 2.3.4 多孔In_2O_3/CuO薄膜的层数对气敏性能的影响73-74
• 2.3.5 近常压XPS对In_2O_3/CuO多孔薄膜的气敏机理的实时研究74-75
• 2.4 本章小结75-76
• 2.5 参考文献76-81
• 第三章 基于六边形Co_3O_4纳米片纳米材料的气体传感器81-104
• 3.1 引言81-82
• 3.2 实验82-85
• 3.2.1 实验材料82-83
• 3.2.2 实验仪器83
• 3.2.3 Cr修饰的六边形Co_3O_4纳米片的制备83-84
• 3.2.4 ZnO纳米颗粒修饰的六边形Co_3O_4纳米片的制备84
• 3.2.5 材料的表征及气敏性能的测试84-85
• 3.3 实验结果与讨论85-98
• 3.3.1 基于Cr修饰的六边形Co_3O_4纳米片的气体传感器85-93
• 3.3.2 基于ZnO纳米颗粒修饰的六边形Co_3O_4纳米片的气体传感器93-98
• 3.4 本章小结98
• 3.5 参考文献98-104
• 第四章 Au纳米圆盘表面增强拉曼基底的制备及对化学分子检测的研究104-121
• 4.1 引言104-105
• 4.2 实验105-108
• 4.2.1 实验材料105
• 4.2.2 实验仪器105-106
• 4.2.3 Au纳米圆盘阵列的制备106-107
• 4.2.4 Au纳米圆盘的表征107
• 4.2.5 Au纳米圆盘对化学分子的检测107-108
• 4.4 实验结果与讨论108-116
• 4.4.1 10 nm Au纳米圆盘对R6G分子的检测108-111
• 4.4.2 Au纳米圆盘的直径对R6G分子的检测的影响111-113
• 4.4.3 Au纳米圆盘厚度对分子检测的影响113-115
• 4.4.4 Au/Ag双金属结构对分子检测的影响115-116
• 4.5 本章小结116-117
• 4.6 参考文献117-121
• 第五章 Ag纳米颗粒修饰的Si纳米锥的制备及对化学分子检测性能研究121-135
• 5.1 引言121-122
• 5.2 实验122-124
• 5.2.1 实验材料122
• 5.2.2 实验仪器122-123
• 5.2.3 Ag纳米颗粒修饰的Si纳米锥结构的制备123-124
• 5.2.4 Ag纳米颗粒修饰的Si纳米锥对化学分子的检测124
• 5.3 实验结果与讨论124-131
• 5.3.1 Ag薄膜的厚度与形成的纳米颗粒大小的关系124-126
• 5.3.2 Ag纳米颗粒的大小对化学物质检测的影响126-129
• 5.3.3 Ag/Au纳米颗粒的形成对化学物质检测稳定性的影响129-131
• 5.4 本章小结131-132
• 5.5 参考文献132-135
• 第六章 全文总结135-137
• 攻读学位期间本人公开发表的论著、论文137-139
• 致谢139-141

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 凌晓,张为,邱细敏;化学传感器在药物分析中的应用[J];湖南医学高等专科学校学报;2000年04期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 麻秋娟;基于有机载体的荧光化学传感技术用于重金属离子检测[D];湖南大学;2009年

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 冷鹏;纳米技术在化学传感器中的应用与研究[D];山东师范大学;2003年

2 马冬梅;5-羟基色氨酸的制备及分析方法研究[D];西北大学;2006年

  本文关键词：基于纳米结构的化学物质检测材料的研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：504091