功能化六方氮化硼超薄纳米片及其气敏性能研究

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随着工农业的迅速发展,各行各业所释放的有毒有害气体越来越多,使得空气中的气体种类和数量不断增加,这些有毒有害气体会给人体和环境带来不可逆的严重伤害。而随着科技的不断发展和人们生活水平的不断提高,人们对于有毒有害分子的检测和环境污染问题已经上升到了一个新的认知高度。近年来,以石墨烯为主的二维材料由于具有高比表面积和高表面活性而在气敏传感器领域备受关注,但由于灵敏度低,响应恢复慢、无法应用于复杂环境等缺点,使得它们的实际应用仍处于起步阶段。素来有“白石墨烯”之称的六方氮化硼纳米片(BNNSs)作为最具代表性的二维纳米材料之一,由于其优异的性能被广泛应用于催化剂载体、发光材料、电子封装和润滑剂等领域。另外,作为宽禁带半导体材料,BNNSs还具备一些包括石墨烯在内的其他二维材料所不具备的优异性能,如更好的高温稳定性、更高的抗氧化性和更强的耐腐蚀性,这为BNNSs成为一种适用于恶劣环境的气敏材料提供了可能。然而BNNSs的化学惰性导致其气体吸附水平不佳,阻碍了其作为气敏材料的应用。近年来,为了更好的拓展BNNSs的应用范围,对于BNNSs的修饰、掺杂和复合也逐渐成为研究热点。其中,功能化修饰(包括羟基、氨基等基团)不仅能够显著的提升BNNSs的催化、吸附等性能,还可调节BNNSs的带隙使其在光电子器件领域更具应用价值。针对上述研究现状和科学问题,本论文开展了针对化学剥离的超薄BNNSs功能化的研究,并系统地探讨了其气敏性能。首先,本论文利用酸混合溶液对六方氮化硼块体粉末(bulk h-BN)进行了直接剥离,并通过调节剥离参数成功得到S修饰的BNNSs(S-BNNSs),所制备的S-BNNSs厚度仅为15个原子层,横向尺寸为300 nm7μm,且晶体结构没有被破坏,结晶度较好。其次,采用静态气敏测试方法探究了S-BNNSs和bulk h-BN的气敏性能,S-BNNSs在10 ppm(百万分之一)的NO2下,响应度高达10.47%,为bulk h-BN的5倍。此外,S-BNNSs基传感器还具有出色的选择性,低检测限,极短的响应/恢复时间(7.5 s/14.4 s),高灵敏度(1.645 ppm-1)以及在高温下出色的稳定性和重复性。结果表明,对h-BN的剥离及表面官能团修饰能够有效地提升其气敏性能。最后,将嵌段共聚物自组装手段合成的金属纳米颗粒并修饰到BNNSs表面获得了BNNSs-Au、BNNSs-Fe2O3及BNNSs-SnO2纳米复合材料,并系统地探讨了复合材料的气敏性能。结果表明,相对于未有纳米颗粒修饰的S-BNNSs来说,BNNSs-Fe2O3和BNNSs-SnO2分别显示出对正丁醇和乙醇的更高响应度,而BNNSs-Au对于NO2的响应度却明显降低了。这种材料气敏性能的改善可归因于金属氧化物纳米颗粒与BNNSs之间的协同效应。金属氧化物纳米颗粒对气体的高灵敏度与BNNSs的高稳定性相结合,可以在保持传感器高稳定性的同时实现对不同气体的定向检测,这使得S-BNNSs在气敏传感器领域具有更加广阔的发展前景。
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