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湿度在工农业生产、日常生活、医疗健康等领域是一个重要的物理指标,湿度传感器作为检测湿度的重要工具,在这些领域有广泛的应用。湿度敏感材料作为湿度传感器的核心组成部分,是湿度传感器领域的重要研究领域。其中,新型的纳米湿度敏感材料因为其具有量程大、灵敏度高、响应恢复快等特点受到广泛的关注。本文就新型纳米湿度敏感材料的设计与制备入手,设计制备了非水溶性金属-有机框架材料ZIF-8@Cu2+与碳氮共掺杂氧化锆纳米纤维ZrO2@C/N两种新型纳米湿敏材料,并研究了其湿度传感性质。两种材料均具有较好的湿度传感能力,存在潜在的应用价值。
1.非水溶性金属-有机框架材料ZIF-8@Cu2+:传统方法制备的ZIF-8材料具有水中不稳定的特点,ZIF-8会不可逆地溶解在水中或酸性溶液中,这一性质制约了ZIF-8材料在湿度传感领域的应用。本文采用常温液相离子替换法实现对ZIF-8材料的改性,掺杂离子为Cu2+,制备了Cu2+掺杂的非水溶性ZIF-8材料ZIF-8@Cu2+,并研究了反应体系中配体2-甲基咪唑浓度对ZIF-8@Cu2+形成过程的影响,测试了一系列ZIF-8@Cu2+材料的湿度传感性质。通过结构与形貌表征,阐明了Cu2+在ZIF-8@Cu2+材料中的掺杂形式,并提出了ZIF-8@Cu2+材料形成过程的动力学假设。湿敏性能测试结果表明ZIF-8@Cu2+材料具有一定的湿度传感性质,具有11%RH-95%RH的湿度传感量程,其阻抗值变化超过三个数量级,并具有快速的湿度响应能力,响应时间为3s,并通过研究复阻抗谱图,分析阐明了ZIF-8@Cu2+材料的湿度传感机理。本研究证明常温液相离子替换法是制备非水溶性ZIF-8材料的有效方法,ZIF-8@Cu2+材料在具有较好湿度传感性质的同时,还有进一步的改善空间,具有潜在的湿度传感应用价值。
2.C/N共掺杂ZrO2纳米纤维复合材料:ZrO2作为传统的金属氧化物材料,在湿度传感领域有着广泛的应用,但是单独使用ZrO2材料进行湿度传感时,具有恢复时间长的缺点,该性质制约了ZrO2材料的应用。本文选用氯氧化锆为功能材料,聚乙烯吡咯烷酮为塑形剂,三聚氰胺为碳源与氮源制备静电纺丝前驱体溶液。采用静电纺丝法制备纳米纤维前驱体,并采用程序升温煅烧法制备一系列ZrO2纳米纤维。利用三聚氰胺在缓慢升温的过程中会发生分子间聚合并释放小分子气体的特点,实现C/N掺杂的同时实现对纳米纤维形貌的调控,制备了具有带孔洞的纳米纤维状形貌的复合材料ZrO2@C/N,并阐明了C/N掺杂的具体存在形式。湿敏数据表明,在一系列复合材料中,ZrO2@C/N-3具有最佳的湿度传感性质,具有良好的线性关系,湿滞参数为0.3195%RH,同时还具有良好的稳定性与重复性,响应恢复时间短,响应时间为2s,恢复时间为15s,且明显小于ZrO2的101s,有效地改善了ZrO2的湿度传感性质。并通过研究复阻抗谱图,阐明了其湿度传感机理。本研究证明静电纺丝法是设计制备具有特殊形貌纳米纤维的有效方法,制备所得的ZrO2@C/N复合材料在湿度传感领域有潜在的应用价值。
1.非水溶性金属-有机框架材料ZIF-8@Cu2+:传统方法制备的ZIF-8材料具有水中不稳定的特点,ZIF-8会不可逆地溶解在水中或酸性溶液中,这一性质制约了ZIF-8材料在湿度传感领域的应用。本文采用常温液相离子替换法实现对ZIF-8材料的改性,掺杂离子为Cu2+,制备了Cu2+掺杂的非水溶性ZIF-8材料ZIF-8@Cu2+,并研究了反应体系中配体2-甲基咪唑浓度对ZIF-8@Cu2+形成过程的影响,测试了一系列ZIF-8@Cu2+材料的湿度传感性质。通过结构与形貌表征,阐明了Cu2+在ZIF-8@Cu2+材料中的掺杂形式,并提出了ZIF-8@Cu2+材料形成过程的动力学假设。湿敏性能测试结果表明ZIF-8@Cu2+材料具有一定的湿度传感性质,具有11%RH-95%RH的湿度传感量程,其阻抗值变化超过三个数量级,并具有快速的湿度响应能力,响应时间为3s,并通过研究复阻抗谱图,分析阐明了ZIF-8@Cu2+材料的湿度传感机理。本研究证明常温液相离子替换法是制备非水溶性ZIF-8材料的有效方法,ZIF-8@Cu2+材料在具有较好湿度传感性质的同时,还有进一步的改善空间,具有潜在的湿度传感应用价值。
2.C/N共掺杂ZrO2纳米纤维复合材料:ZrO2作为传统的金属氧化物材料,在湿度传感领域有着广泛的应用,但是单独使用ZrO2材料进行湿度传感时,具有恢复时间长的缺点,该性质制约了ZrO2材料的应用。本文选用氯氧化锆为功能材料,聚乙烯吡咯烷酮为塑形剂,三聚氰胺为碳源与氮源制备静电纺丝前驱体溶液。采用静电纺丝法制备纳米纤维前驱体,并采用程序升温煅烧法制备一系列ZrO2纳米纤维。利用三聚氰胺在缓慢升温的过程中会发生分子间聚合并释放小分子气体的特点,实现C/N掺杂的同时实现对纳米纤维形貌的调控,制备了具有带孔洞的纳米纤维状形貌的复合材料ZrO2@C/N,并阐明了C/N掺杂的具体存在形式。湿敏数据表明,在一系列复合材料中,ZrO2@C/N-3具有最佳的湿度传感性质,具有良好的线性关系,湿滞参数为0.3195%RH,同时还具有良好的稳定性与重复性,响应恢复时间短,响应时间为2s,恢复时间为15s,且明显小于ZrO2的101s,有效地改善了ZrO2的湿度传感性质。并通过研究复阻抗谱图,阐明了其湿度传感机理。本研究证明静电纺丝法是设计制备具有特殊形貌纳米纤维的有效方法,制备所得的ZrO2@C/N复合材料在湿度传感领域有潜在的应用价值。