聚苯胺及其納米復(fù)合薄膜傳感器的氣濕敏特性研究.pdf

1、環(huán)境污染是人類當(dāng)前所面臨的一個(gè)重要問題，關(guān)系到人類社會(huì)和人類文明的可持續(xù)發(fā)展。隨著科技的進(jìn)步，人類改造大自然的能力不斷增強(qiáng)，地球已經(jīng)被各種有毒、有害物質(zhì)污染，對(duì)各種污染物的監(jiān)測和治理是解決環(huán)境污染問題的關(guān)鍵工作。因此，所需的相關(guān)傳感器的研制工作，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、牧業(yè)、運(yùn)輸、氣象、航空及軍事等方面，具有極大的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)效益。
　　針對(duì)無機(jī)半導(dǎo)體型氣濕敏傳感器的靈敏度低、響應(yīng)慢、功耗大、制備工藝復(fù)雜等問題。基于導(dǎo)電聚苯胺(PANI)

2、的電阻型氣濕敏感傳感器，因其制備工藝簡單、價(jià)格低廉、靈敏度高、響應(yīng)速度快、功耗低、工作于室溫條件下等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛的研究報(bào)道。決定傳感器性能的主要因素是PANI材料固有的敏感特性，因此，制備高性能的PANI及其納米復(fù)合材料，并研究其氣濕敏特性具有重要的意義。無機(jī)納米材料的種類非常豐富，具有獨(dú)特的催化效應(yīng)，如比表面積高、表面的活性點(diǎn)位豐富、表面的反應(yīng)活性度好、高效的催化效率、極強(qiáng)的吸附能力等特性。因此，將PANI的優(yōu)點(diǎn)與無機(jī)納米材料的優(yōu)點(diǎn)結(jié)

3、合起來，制備出兼具二者雙重特性的復(fù)合敏感材料，復(fù)合材料將具備納米材料的表面效應(yīng)和低尺度效應(yīng)，耦合的復(fù)合材料還可能出現(xiàn)兩種材料間的協(xié)同作用或互補(bǔ)作用，從而具有新的材料特性，使PANI氣濕敏傳感器的性能得到改善。本文制備了不同形貌的PANI及其納米復(fù)合材料，制成電阻型氣濕敏傳感器進(jìn)行測試研究，并對(duì)傳感器的氣濕響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行探討。
　　本文的具體工作和主要研究結(jié)果如下:
　　1.采用自組裝法在金叉指電極(IDE)上制備了具有不同D-

4、樟腦-10-磺酸(D-CSA)摻雜度的多種形貌的微納米PANI薄膜，分析研究不同D-CSA摻雜度對(duì)微納米PANI的形貌及其濕敏特性的影響。此外，還探討了PANI薄膜厚度對(duì)其濕敏特性的影響。通過優(yōu)化D-CSA摻雜度和PANI薄膜的厚度參數(shù)，提升基于PANI薄膜的電阻式濕度傳感器的性能。
　　2.利用納米金剛石(Nanodiamond，ND)的高比表面積和豐富的功能基團(tuán)特性，采用原位化學(xué)聚合法制備ND/PANI納米復(fù)合薄膜用于檢測氨氣

5、(NH3)，研究該復(fù)合薄膜對(duì)NH3的響應(yīng)機(jī)理及響應(yīng)特性，并分析了ND的含量對(duì)納米復(fù)合薄膜NH3敏感特性的影響。與納米PANI材料相比較，ND/PANI納米復(fù)合薄膜傳感器對(duì)NH3的輸出響應(yīng)具有更高的檢測靈敏度和更快的響應(yīng)速度。
　　3.石墨烯(Graphene)具有獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)和材料性能，利用原位化學(xué)聚合法和物理共混法將石墨烯作為納米添加物，分別制備了兩種graphene/PANI納米復(fù)合薄膜材料，分別采用FTIR、BET、UV-

6、vis、PL、XPS、SEM等進(jìn)行光譜表征、分析了graphene/PANI納米復(fù)合材料的形貌特性，并將graphene/PANI納米復(fù)合材料制備成NH3和CH4傳感器進(jìn)行相應(yīng)電學(xué)特性的測試研究。討論復(fù)合材料制備的方法對(duì)氣體傳感器的響應(yīng)特性影響。納米添加物graphene加入PANI能夠增強(qiáng)基于graphene/PANI薄膜的NH3傳感器的靈敏度，使傳感器對(duì)NH3的探測下限更低。同時(shí)，加入graphene能提高傳感器對(duì)CH4的靈敏度，使