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碳纳米管的聚苯胺掺杂研究及其在气敏传感器中的应用

作　者: 李春香
导　师: 潘敏
学　校: 浙江大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 碳纳米管 聚苯胺 原位聚合 气敏传感
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


准一维的碳纳米管是一种潜在的优良气敏材料,它具有很大的表面-体积比和丰富的孔隙结构,对一些气体分子有很强的吸附能力。同样,聚苯胺也具有一定的气敏响应特性,掺杂聚苯胺后的碳纳米管,其气敏特性有显著提高。基此,本论文主要做了以下的研究：论文中采用了较为简单的原位聚合法,制备出了本征态聚苯胺。并利用介电泳方法可实现对碳纳米管的定向操控的特性,通过优化控制碳管所在交流电场的幅值、频率及时间等参数实现在叉指电极间定向排布碳纳米管、聚苯胺纤维膜,测试了两种材料对氨气的响应特性,从响应时间、恢复时间、线性度等参数分析其特点。同时,本文重点介绍了基于聚苯胺及多壁碳纳米管复合材料的氨气传感器的制备与测试,使用原位聚合法使苯胺单体以碳纳米管为核心进行聚合反应,运用介电泳法制备多壁碳纳米管/聚苯胺气敏复合膜传感器。该传感器对10ppm氨气的响应灵敏度为3.4,响应时间15s,而对比实验中聚苯胺膜传感器的灵敏度为1.9。实验结果表明,由于碳纳米管在介电泳过程中构建的大比表面积纳米三维结构和优良的导电率,纳米复合材料的微观结构和导电性能都得到大幅改善,从而使得复合物具有相对于本征碳纳米管和聚苯胺膜更好的气敏特性。此外,我们还采用直接分散法对碳纳米管进行聚苯胺掺杂,实验结果证明,基于直接分散法制备的碳纳米管聚苯胺混合物气体传感器的响应为2.837。与之前本征碳纳米管制作的气敏传感器相比,响应时间大大缩短,恢复时间略大于之前的传感器,并且直接分散法制作的传感器在1000s左右时能完全恢复到之前的位置,而本征碳纳米管却不能。实验进一步证明,掺杂聚苯胺的碳纳米管有着更好的气敏应用前景。该制备方法克服了本征态碳纳米管气敏特性低的缺陷,增强了聚苯胺纳米结构特性,提升了复合材料对氨气的气敏响应特性。

全文目录


致谢  4-5
摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
目次  8-11
1 碳纳米管简介  11-20
  1.1 碳纳米管的结构和分类  11-12
  1.2 碳纳米管的制备方法  12-15
    1.2.1 电弧放电法  13
    1.2.2 激光蒸发法  13-14
    1.2.3 化学气相沉积法  14-15
  1.3 碳纳米管的性能及应用  15-20
    1.3.1 碳纳米管的气敏性能及应用  15-17
    1.3.2 碳纳米管的力学性能及应用  17
    1.3.3 碳纳米管的光学性能及应用  17-18
    1.3.4 碳纳米管电磁性能及应用  18
    1.3.5 碳纳米管其他方面的应用  18-20
2 碳纳米管/聚苯胺纳米复合材料的研究  20-29
  2.1 导电聚合物简介  20-21
  2.2 聚苯胺的研究进展  21-26
    2.2.1 聚苯胺的结构  21-23
    2.2.2 聚苯胺的合成方法  23-25
    2.2.3 聚苯胺的特性  25-26
  2.3 碳纳米管/聚苯胺纳米复合材料的研究进展  26-29
    2.3.1 碳纳米管/聚苯胺复合材料的制备方法  26-27
    2.3.2 碳纳米管/聚苯胺复合材料的气敏性能  27-29
3 系统方案设计  29-34
  3.1 研究方案  29
  3.2 实验准备  29-32
    3.2.1 碳纳米管样品的制备  29-30
    3.2.2 电极的处理  30-32
    3.2.3 实验气体的配制  32
  3.3 测试系统与测试方法  32-34
    3.3.1 测试系统  32-33
    3.3.2 测试方法  33-34
4 多壁碳纳米管制备的传感器气敏特性研究  34-48
  4.1 碳纳米管气敏传感器的制备  34-38
    4.1.1 常见的碳纳米管气敏传感器制备方法  34
    4.1.2 碳纳米管分散液的配制及电极处理  34-38
  4.2 碳纳米管的介电泳排布  38-42
    4.2.1 介电泳概述  38-39
    4.2.2 介电泳在碳纳米管操控中的应用  39-40
    4.2.3 介电泳排布碳纳米管  40-42
  4.3 多壁碳纳米管传感器的气敏特性研究  42-46
    4.3.1 实验原理  42
    4.3.2 实验过程  42-46
  4.4 多壁碳纳米管传感器气敏特性分析与讨论  46-48
    4.4.1 多壁碳纳米管传感器对单一浓度氨气响应分析  46-47
    4.4.2 多壁碳纳米管传感器对不同浓度氨气响应分析  47-48
5 多壁碳纳米管的聚苯胺掺杂  48-62
  5.1 引言  48-49
  5.2 实验部分  49-50
    5.2.1 实验试剂及仪器  49
    5.2.2 聚苯胺及碳纳米管/聚苯胺纳米复合物的制备  49-50
    5.2.3 MWNT/Pani敏感膜气敏特性测试  50
  5.3 结果与讨论  50-60
    5.3.1 材料的表征  50-54
    5.3.2 材料的气敏特性  54-60
  5.4 MWNT/Pani纳米材料传感器响应机理探讨  60-62
6 结论与展望  62-64
  6.1 结论  62-63
  6.2 展望  63-64
参考文献  64-68
研究生期间参加项目与成果  68

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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