【摘 要】
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随着空气污染程度的日益加重,人们对有毒有害气体的检测及监控越来越关注。氨气(NH3)作为一种有毒的空气污染物,当它在环境中的浓度超过一定的水平时会严重刺激人体器官从而损
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随着空气污染程度的日益加重,人们对有毒有害气体的检测及监控越来越关注。氨气(NH3)作为一种有毒的空气污染物,当它在环境中的浓度超过一定的水平时会严重刺激人体器官从而损害人体健康。另外人体呼吸和食物腐烂过程释放氨气的浓度分别与人体健康状况和食物新鲜度相关。因此,制备出高性能的室温氨气传感器对于环境检测、疾病诊断及食品安全等领域均具有重大的实际意义。考虑到现有氨气传感器存在成本昂贵、灵敏度低和检测限高等一些不足,本文采用简便的水热法和氧化聚合法制备了锗酸锶(SrGe4O9)、聚苯胺(PANI)以及聚苯胺-锗酸锶(PANI-SrGe4O9)纳米复合材料,随后利用所合成的材料制备了复合薄膜NH3传感器,并对其气敏特性进行了研究。本论文的主要研究内容归纳如下:(1)采用水热法成功制备了SrGe4O9纳米线,合成的纳米线形貌均匀、表面光滑,长度约为几微米,直径在30-100 nm之间。通过氧化聚合法制备了PANI与PANI-SrGe4O9复合材料,通过FTIR表征证明PANI-SrGe4O9复合材料具有丰富的官能团结构,通过XPS、XRD、SEM及TEM表征证明了PANI-SrGe4O9复合材料的成功制备,并且具有良好的物理化学性质。通过BET测试证明复合材料为介孔结构,比PANI材料具有更大的比表面积,具有更多的活性吸附位点。(2)利用静电力自组装方式制备了PANI薄膜传感器与PANI-SrGe4O9复合薄膜传感器。测试了两传感器对于0.2-10 ppm NH3的实时响应,结果显示复合薄膜传感器与单一薄膜传感器相比具有更大的响应值,复合薄膜传感器的灵敏度(20.59%ppm-1)是PANI传感器的两倍(9.82%ppm-1),线性拟合因子均高于0.99,同时复合薄膜传感器的响应时间最多可缩短到PANI传感器的三分之一。该复合薄膜传感器还具有优异的重复性、选择性及长期稳定性。此外,PANI-SrGe4O9传感器经500次弯曲后其基值电阻未发生明显改变,对NH3的响应特性基本保持稳定,证明该传感器具有良好的柔性特性。值得注意的是,该复合薄膜传感器对于250 ppt的NH3仍具有良好的响应特性,表明该传感器拥有极低的检测下限。通过对不同口腔环境的呼吸气进行实测,发现PANI-SrGe4O9传感器可明显区分不同的口腔环境。(3)基于材料表征结果及气敏性能测试结果初步建立起了PANI-SrGe4O9复合薄膜传感器的传感机理模型。复合薄膜传感器通过NH3在PANI表面的吸附/脱附来进行脱质子/质子化过程,进而导致复合材料的电阻值发生改变。PANI-SrGe4O9复合薄膜传感器气敏性能的提升主要得益于其独特的形貌和丰富的介孔结构,以及在p型PANI和n型SrGe4O9界面处形成的p-n异质结。
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