多孔SnO2、ZnO纳米材料及PPy/F-MWCNTs复合纳米材料的制备及其气敏性能研究

论文摘要

纳米材料及纳米技术的发展为改善传感器的性能提供了新的发展机会。近年来,具有多孔结构的金属氧化物半导体（MOS）纳米材料与碳纳米管（CNTs）基纳米复合材料因其优异的性能而倍受关注。因此制备多孔结构MOS纳米材料及CNTs基纳米复合材料对改善气敏传感器的性能具有很重要的意义。（1）通过原位化学氧化聚合法成功制备了聚吡咯（PPy）包裹酸处理多壁碳米管（F-MWCNTs）的复合材料（PPy/F-MWCNTs）。对所制备的PPy/F-MWCNTs纳米复合材料,分别采用傅里叶变换红外光谱分析（FT-IR）、紫外可见漫反射（UV-vis DRS）、热重分析（TGA）、X-射线衍射（XRD）、比表面分析（BET）、场发射扫描电镜（FE-SEM）口透射电镜（TEM）进行表征。实验结果表明在F-MWCNTs表面均匀包覆了一层约25-40 nm厚的PPy, PPy/F-MWCNTs的比表面积较单一的PPy提高了近3倍。基于PPy/F-MWCNTs的气敏元件在室温下对NH3的气敏性能较单一聚吡咯和碳纳米管具有更高的灵敏度,更短的响应时间以及更好的稳定性,其中对200 ppm NH3的灵敏度能达到1.9,响应时间为135s.另外与PPy包覆未经酸处理的MWCNTs相比PPy/F-MWCNTs的灵敏度更高。（2）通过高温处理层状碱式碳酸锌前躯体的方法成功制备了多孔ZnO单晶纳米片。前躯体碱式碳酸锌（LBZC）采用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为表面活性剂,尿素水溶液水热的条件下制备。所得多孔ZnO单晶纳米片分别采用X-射线衍射（XRD）,傅里叶转换红外光谱分析（FT-IR）,热重-示差分析（TGA-DSC）,场发射扫描电镜（FE-SEM）,透射电镜（TEM）,选区电子衍射（SAED）,比表面分析（BET）等进行表征。实验结果表明所制备的多孔ZnO单晶纳米片直径大约几百个纳米,厚度约为15 nm。基于该多孔ZnO单晶纳米片的气敏传感器在300℃下对乙醇具有很好的灵敏度,比较高的选择性以及快速的响应-恢复性能,是一种很好的气敏材料。而且,这种溶液法也可以用来制备其他具有均一形貌的金属氧化物多孔材料。（3）采用一种简单的溶剂热-高温处理的方法成功制备了由大量15.9 nm左右的单晶SnO2微纳米球组装而成的分级结构多孔SnO2纳米棒。采用X-射线衍射（XRD）,傅立叶转换红外光谱分析（FT-IR）,热重-差热分析（TGA-DTA）,场发射扫描电镜（FE-SEM）,透射电镜（TEM）,选区电子衍射（SAED）,比表面分析（BET）等测试手段对样品的形貌与结构进行表征。实验结果表明多孔SnO：纳米棒长度约5-6μm,基于该结构材料的气敏元件在240℃下对乙醇蒸气具有非常好的灵敏度,快速的响应-恢复时间以及比较好的选择性及稳定性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 气敏传感器概述
• 1.2.1 气敏传感器分类
• 1.2.2 气敏材料分类
• 1.2.3 气敏材料的评价
• 1.2.4 气敏传感器的发展方向
• 1.3 金属氧化物半导体气敏材料研究进展
• 1.3.1 金属氧化物半导体气敏材料的种类
• 1.3.2 金属氧化物半导体气敏材料的研究趋势
• 1.4 CNTs基气敏材料的研究进展
• 1.4.1 本征CNTs基气敏材料
• 1.4.2 改性CNTs基气敏材料
• 1.4.3 CNTs基气敏材料的研究趋势
• 1.5 导电聚吡咯（PPy）的研究进展
• 1.6 本文的研究内容、创新和意义
• 1.6.1 本文主要研究内容
• 1.6.2 创新之处
• 1.6.3 研究意义
• 第二章 聚吡咯/碳纳米管复合纳米材料的制备、表征及其气敏性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 主要实验试剂
• 2.2.2 实验仪器设备
• 2.2.3 MWCNTs的处理
• 2.2.4 PPy/F-MWCNTs复合材料的制备
• 2.2.5 材料表征
• 2.2.6 气敏元件的制作、结构与气敏测试原理
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 PPy/F-MWCNTs复合纳米材料的红外光谱分析
• 2.3.2 PPy/F-MWCNTs复合纳米材料的物相分析
• 2.3.3 PPy/F-MWCNTs复合纳米材料的形貌分析
• 2.3.4 PPy/F-MWCNTs复合纳米材料的比表面分析
• 2.3.5 PPy/F-MWCNTs复合纳米材料的合成机理
• 2.3.6 PPy/F-MWCNTs复合纳米材料的热重分析
• 2.3.7 PPy/F-MWCNTs复合纳米材料的气敏性能测试
• 2.3.8 PPy/F-MWCNTs复合纳米材料紫外可见漫反射分析
• 2.3.9 PPy/F-MWCNTs复合纳米材料的气敏机理探讨
• 2.4 本章小结
• 第三章 多孔ZnO单晶纳米片的制备、表征及气敏性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验主要试剂
• 3.2.2 实验仪器设备
• 3.2.3 材料的制备
• 3.2.4 材料的表征
• 3.2.5 气敏元件的制作、结构及测试原理
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 形貌与结构分析
• 3.3.2 XRD分析
• 3.3.3 FT-IR分析
• 3.3.4 前驱物的热重（TGA-DSC）分析
• 3.3.5 多孔ZnO单晶纳米片的形成机理探讨
• 3.3.6 多孔ZnO单晶纳米片的比表面积与孔径分布测试
• 3.3.7 多孔ZnO单晶纳米片的气敏性能测试及机理分析
• 3.4 本章小结
• 2纳米棒的制备、表征及其气敏性能研究'>第四章 分级结构多孔SnO₂纳米棒的制备、表征及其气敏性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验主要试剂
• 4.2.2 实验仪器设备
• 4.2.3 材料的制备
• 4.2.4 材料的表征
• 4.2.5 气敏元件的制作、结构与测试原理
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 形貌与结构表征
• 4.3.2 物相表征
• 4.3.3 FT-IR分析
• 2纳米棒形成机理探讨'>4.3.4 多孔SnO₂纳米棒形成机理探讨
• 4.3.5 TG-DTA分析
• 4.3.6 BET分析
• 4.3.7 气敏性能测试
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要研究成果