柔性氨气传感器设计、制备及其敏感特性研究

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氨气(NH3)是一种在工业、农业等领域广泛共存的有毒有害气体。因此,研制可在室温、大气湿度环境下工作,并且灵敏度高、检测极限低的NH3气体传感器具有重要的意义。结合传感器向柔性化、轻量化等方向发展的趋势,本文采用原位聚合自组装技术及气喷工艺,优选导电聚合物聚苯胺(PANI)、新型二维材料MXenes(Ti3C2Tx)以及金属半导体氧化物二氧化钛(TiO2)等敏感材料,制备了适用于室温、大气湿度工作的性能优良的柔性NH3气体传感器。并结合敏感薄膜表征与传感器气敏性能测试建立了传感器敏感机理模型。具体地,本文主要内容归纳如下:1.设计并运用原位聚合自组装工艺制备了PANI/Ti3C2Tx柔性气敏传感器,并研究了其对NH3的敏感特性。SEM结果显示PANI/Ti3C2Tx复合材料具有片层结构大、表面粗糙等大比表面积特征,可提供大量吸附位点,有利于NH3气体分子的吸附,从而使传感器获得优异的气敏特性。XRD表征验证了PANI/Ti3C2Tx材料的复合结构,XPS表征进一步确定了复合材料元素价态及化学键组成。在室温下分别研究了纯PANI及PANI/Ti3C2Tx气体传感器对NH3气敏特性,结果表明复合薄膜具有更高的灵敏度,并显示出良好的重复性、选择性、柔性特性及长期稳定性。模拟研究了农田环境不同湿度下该复合薄膜传感器对NH3气体的气敏响应,结果表明其在不同湿度下都具有良好的重复响应特性。结合表征及测试结果,建立了PANI/Ti3C2Tx复合薄膜对NH3的敏感机理模型,并阐释了湿度对复合薄膜气敏特性的影响机制。2.应用简易的气喷工艺,选用TiO2/Ti3C2Tx作为气敏材料制备了可应用于室温、大气湿度环境下的柔性NH3气体传感器。通过SEM表征发现TiO2/Ti3C2Tx具有与PANI/Ti3C2Tx复合材料类似的大比表面积特征。通过XRD、XPS表征分析确认了复合薄膜的元素以及化学键组成。在室温、大气湿度环境下测试了Ti3C2Tx薄膜及TiO2/Ti3C2Tx复合薄膜的对NH3的气敏特性。结果显示,与单一Ti3C2Tx薄膜相比,TiO2/Ti3C2Tx复合薄膜具有更高的灵敏度,有效降低了基线上漂并且具有良好的重复性、选择性、柔性特性及长期稳定性。研究了湿度对复合薄膜气体传感器气敏性能的影响,结果显示,随着湿度的上升复合薄膜的氨敏响应呈现先上升后下降的趋势。结合表征分析及气敏性能测试结果,建立了TiO2/Ti3C2Tx复合薄膜对NH3气体的敏感机理模型:p型Ti3C2Tx与n型TiO2两者之间紧密接触形成了p-n异质结,使得异质结接触界面产生更多的电子转移和传输,从而提高了传感器的气敏响应性能。
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