柔性ZnO/碳纤维复合膜静电纺丝制备及气敏特性研究

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工业活动中不停地产生着包括氮氧化物的各种有毒有害气体,而氮氧化物中除二氧化氮以外的气体均极不稳定,遇光、湿或热即变成一氧化氮及二氧化氮。这些气体的排放严重地危害着人类的健康和生存环境,因此在环境监测和临床诊断的需要下各种形式的气体传感器不断被生产,其中非常重要的一种便是半导体式气体传感器。得益于可穿戴设备的兴起与特殊场景的应用,柔性气体传感器的研究愈发成为热点,同时高灵敏度与低检测限度依然被看重。分别对PAN-(CH3COO)2Zn/DMF溶液与掺杂了PMMA的PAN-(CH3COO)2Zn/DMF溶液采用静电纺丝技术与碳化工艺制备了柔性ZnO/碳纤维复合膜气体传感器与多孔柔性ZnO/碳纤维复合膜气体传感器。利用这两种传感器在室温下检测了低浓度(2 ppm-50 ppm)NO2气体。对复合膜进行了形貌分析,光谱分析与柔性测试,比较了其气敏特性。具体研究内容如下:对PAN-(CH3COO)2Zn/DMF溶液进行静电纺丝得到(CH3COO)2Zn/PAN纳米纤维复合膜,在空气中对其进行预氧化处理后变为ZnO/PAN纳米纤维复合膜,再在氮气保护下对其进行碳化处理变为ZnO/碳纤维复合膜。使用SEM、EDS、XPS、FTIR等方法对生成的复合膜形貌,结构,成分等进行了全面的分析,结果如下:利用静电纺丝技术并采用在氮气下600℃碳化的热处理方法可制备直径约为100nm、分布均匀的含碳量65%的ZnO/碳纤维复合膜,在热处理过程中纤维中的醋酸锌不断转变为ZnO,纤维直径不断减小。同时检测了其气敏特性,结果如下:复合膜在室温下对50 ppm的NO2气体的响应为5%,并且经过30天的测试,在50 ppm的NO2气体的测试下,响应一直保持在5%左右。ZnO/碳纤维复合膜制备过程简单,且对低浓度NO2在室温下具有较好的响应特性。对掺杂了PMMA的PAN-(CH3COO)2Zn/DMF溶液进行纺丝并碳化,制备了多孔形貌的ZnO/碳纤维复合膜,然后对其进行了相应的检测。结果表明:多孔ZnO/碳纤维复合膜有着更大的比表面积,在室温下对NO2的响应更高,而且有好的选择性和较高稳定性。对两种复合膜进行的柔性测试显示复合膜具备一定程度的柔性,有希望利用多孔型的ZnO/碳纤维复合膜材料生产可在室温下进行检测的更高性能的NO2气体传感器。
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