基于几种低维有序介孔材料的电阻型湿度传感器的研究

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随着科学技术的发展,继计算机和互联网之后,信息技术的第三次浪潮——物联网正向着人类生产生活的各个领域袭来。根据信息生成、传输、处理和应用的原则,物联网由下到上可以被分为感知识别层、网络构建层、管理服务层以及综合应用层这四个层面其中,感知识别层是物联网最基础最核心的技术所在,也是将信息世界与物质世界连接在一起的纽带。而传感器作为感知识别层重要的组成部分,又支撑着整个层面的正常运行。随着近年来信息技术的发展,传感器已经渗透到了人类生产生活的各个领域,例如工农业生产、医疗、军事国防和环境保护等方面。在如今信息化的过程中发挥着关键作用,并且与计算机技术和通信技术并称为信息技术的三大支柱。湿度传感器作为测量环境湿度变化的一种装置,是传感器大家族中的一个非常重要的成员。湿度传感器的种类很多,其中基于电学测量方法的电阻式和电容式两种湿度传感器,由于其较高的灵敏度和使用方便易集成等特点受到业界的广泛关注。影响湿度传感器性能的因素有很多,对湿度敏感材料的选择应该是其中最重要的一个因素。一维纳米材料和有序介孔材料是材料家族中两个非常重要的成员,这两种材料由于其一些独特的性质如超高比表面积、高长径比、轴向电子传输及径向量子限域等,受到了化学传感及催化领域的广泛关注。在本论文中,我们将一维纳米结构和有序介孔结构有机地结合起来,采用静电纺丝与软模板结合法以及胶体静电纺丝法制备了几种不同形式的一维有序介孔材料,并研究了其湿度敏感性能。第二章中,采用软模板法制备了具有三维有序介孔结构的二氧化硅KIT-6材料,并在其中引入了具有较强亲水性的强电解质LiCl,制备出了性能优良的LiCl/KIT-6复合湿度敏感材料。具体讨论了当有序介孔存在时,强电解质的引入与否所造成的湿敏特性的差异,以及不同LiCl担载量对复合材料湿敏特性的影响。结果表明,在有序KIT-6骨架中适量引入LiCl等强电解质可以有效地改善本征态KIT-6材料对低相对湿度响应小,湿度测量范围小等湿度敏感性能。第三章中,采用F127和CTAB两种表面活性剂作为模板,通过静电纺丝、软模板结合法制备了具有二维六方有序孔道结构的介孔二氧化硅纳米纤维,并研究了其湿度敏感性能。具体讨论了在一维二氧化硅材料中,有序介孔结构的引入与否对材料湿度敏感性能的影响。结果表明,有序介孔结构的引入可以有效地提高本征态二氧化硅纳米纤维材料的湿度敏感特性。第四章中,首先采用软模板法制备了具有三维有序孔道结构的MCM-48纳米颗粒材料,之后采用胶体静电纺丝的方法制备了MCM-48纳米纤维材料,并研究了其湿度敏感性能。具体讨论了在有序介孔材料的基础上,一维结构的引入与否对材料湿度敏感性能的影响。结果表明,先构造有序介孔结构,后通过胶体静电纺丝法制备的MCM-48纳米纤维在响应恢复,湿度测量范围,湿滞等特性上较MCM-48纳米颗粒有很大程度的提高。第五章中,将第三章中的静电纺丝、软模板结合的方法进行了拓展,成功制备了Ba0.77Sr0.23TiO3金属氧化物有序介孔纳米纤维材料,并研究了其湿度敏感性能。具体讨论了在一维Ba0.77Sr0.23TiO3材料中,有序介孔结构引入与否对材料湿度敏感性能的影响。结果表明,在一维Ba0.77Sr0.23TiO3纳米材料中引入有序介孔结构,可以有效地提高材料的响应恢复、湿度测量范围等系能。本论文围绕有序介孔结构和一维纳米结构展开,通过不同的材料制备方法,将这两种结构整合到一起,制备出几种不同结构和材料体系的一维有序介孔材料,并分别研究讨论了它们的湿度敏感性能及感湿机理。结果表明,有序介孔结构和一维纳米结构的有机结合可以显著提高材料的湿度敏感性能。
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