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聚苯胺/碳纳米管及异质结纳米复合材料合成与气敏特性研究

作　者: 何利芳
导　师: 刘锦淮
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 无机化学
关键词: 碳纳米管 聚苯胺 氨气 空心球 SnO2 CuO掺杂 H2S p-n结
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 230次
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内容摘要


随着对自身健康的重视和对生态环境的关注日益加深,人们对环境中有毒有害气体的监测控制提出了更高的要求。新型气敏材料的开发应用就越来越受到重视,成为气体传感器的主体。纳米材料由于其特殊的结构和性质受到了广泛关注,同时大量研究发现纳米材料在传感器中有潜在的应用。正是在这样的启发下,本文做了如下两个方面的工作:（1）本文采用相对简单和低成本的方法制备了聚苯胺（PANI）包裹MWNTs纳米复合材料传感器,在此基础上首次对该纳米复合材料的气敏性能进行了研究,并系统考察了不同厚度PANI包裹层对气敏性的影响。碳纳米管做为传感器材料存在一些如灵敏度低,选择差,以及恢复时间长等缺点。为了提高碳纳米管的气敏性能,我们用简单的原位聚合法对MWNTs进行了包裹修饰,得到PANI包裹的多壁碳纳米管复合材料。对复合材料的形貌表征表明PANI均匀包裹在碳纳米管表面形成膜,且膜的厚度可以通过调结苯胺单体的量来控制。气敏测试结果表明该复合材料对NH3有高的灵敏度和好的重现性,并对浓度在0.2-15ppm范围内的NH3呈线性响应。分别和纯的碳纳米管以及纯的聚苯胺相比,纳米复合材料对NH3的灵敏度有了显著的提高,而且相应的响应时间也明显缩短。另一方面,为了得到气敏性相对更好的材料,我们也系统研究了不同厚度PANI包裹层对复合材料气敏性能的影响。（2）通过对纳米空心球材料气敏性能的改进,我们得到了一种新型的、具有高气敏性能的纳米复合材料—CuO掺杂的SnO2纳米空心球材料。目前研究表明SnO2纳米空心球材料是一种有前途的传感器材料。但其对很多气体都有响应,选择性差,这在某种程度上限制了该材料的应用。为了提高该材料的气敏选择性,我们尝试对其进行氧化物掺杂改进。首先采用相对更为简单的方法合成SnO2纳米空心球材料,然后通过在铜的前驱体溶液中的浸润,最后煅烧得到了CuO掺杂的SnO2纳米空心球材料,研究进一步对其结构和气敏性进行了考察。气敏测试发现:CuO掺杂的SnO2纳米空心球材料在35oC的低温下对10 ppm H2S灵敏度达到了5.6×106,并对ppb级的H2S气体有一定的响应。相比纯的SnO2纳米空心球材料,经CuO掺杂后的复合材料对H2S气体的选择性和灵敏度显著提高。实验结果同时表明该纳米复合材料在痕量H2S气体的监测中有潜在应用。CuO掺杂的SnO2纳米空心球材料优异的气敏性能归因于p-n结的形成以及空心球结构的存在。本研究进一步证明具有空心球结构的纳米材料是一种有前途的传感器材料。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章 绪论  10-34
  1.1 气体传感器  10-14
    1.1.1 气体传感器的研究意义  10
    1.1.2 气体传感器分类  10-14
  1.2 聚合物/碳纳米管纳米复合材料  14-26
    1.2.1 碳纳米管的结构性质和制备  14-17
    1.2.2 碳纳米管的气敏特征  17-19
    1.2.3 碳纳米管的纯化和修饰  19-23
    1.2.4 聚合物/碳纳米管纳米复合物的制备  23-24
    1.2.5 聚合物/碳纳米管纳米复合物气敏性  24-26
  1.3 纳米空心结构材料  26-32
    1.3.1 纳米空心球材料的制备  26
    1.3.2 模板法的分类与制备  26-29
    1.3.3 硬模板法制备纳米空心结构材料  29-30
    1.3.4 软模板法制备纳米空心结构材料  30-31
    1.3.5 纳米空心球材料的应用  31-32
  1.4 本文选题及主要研究内容  32-34
第二章 聚苯胺包裹多壁碳纳米管的气敏性研究  34-47
  2.1 引言  34-35
  2.2 实验部分  35-37
    2.2.1 主要试剂和仪器  35-36
    2.2.2 聚苯胺包裹碳纳米管的制备  36
    2.2.3 聚苯胺包裹碳纳米管的气敏测试  36-37
  2.3 结果与讨论  37-46
    2.3.1 材料的表征  37-40
    2.3.2 材料的气敏特征  40-46
  2.4 本章小结  46-47
第三章 CUO 掺杂SnO_2纳米空心球材料的气敏性  47-61
  3.1 引言  47-48
  3.2 实验部分  48-50
    3.2.1 主要试剂和仪器  48-49
    3.2.2 CuO 掺杂SnO_2 纳米空心球材料制备  49
    3.2.3 材料的气敏测试  49-50
  3.3 结果与讨论  50-60
    3.3.1 材料的表征  50-55
    3.3.2 材料的气敏特征  55-60
  3.4 本章小结  60-61
参考文献  61-73
致谢  73-74
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果  74

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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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