酞菁锌薄膜及其与金属氧化物(TiO2、NiO)复合薄膜光波导元件的制备及气敏性研究

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酞菁配合物是一类具有大环共轭结构的化合物,因其在室温下对特定气体具有高灵敏度和高选择性,因此是一种用途广泛,也是近年来研究最多的有机气敏材料。TiO2和NiO是无机功能材料的重要组成部分,因其具有化学和热稳定性优异、制备简单、无毒等优点,在很多领域被广泛应用。本文利用溶胶凝胶法制备了TiO2、NiO溶胶,并分别以酞菁锌、酞菁锌-TiO2、NiO溶胶-酞菁锌为敏感材料,制备了传感元件,并分别对它们的气敏性能进行了研究。本论文由5个部分组成,绪论部分主要介绍了大气污染及污染物种类、重点介绍了大气污染物中的硫化氢(H2S)气体、危害及检测方法;概述了传感器的定义、组成、分类;介绍了气体传感器的定义、特性参数以及分类;概述了光波导传感器的结构、原理和应用;对气敏材料的种类和应用进行了介绍。第二章,以酞菁锌为敏感试剂、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为成膜剂,利用旋转甩涂法制备了酞菁锌薄膜/K+交换光波导敏感元件,并在室温下测试了其气敏性能。为了使敏感元件的气敏性能最佳,因而对匀胶机的转速、酞菁锌溶液的质量分数和PVP的含量进行了筛选。由实验结果可知,在匀胶机转速为1600 rpm、酞菁锌溶液的质量分数为0.07%、PVP含量为1%时,敏感元件对H2S气体具有较好的选择性响应,且对10-3V/V0的H2S气体的响应时间为6 s。该敏感元件可以检测到的H2S气体的最低浓度为1×10-7V/V0。除此之外,敏感元件在制备后的一个月内表现出良好的稳定性。通过研究湿度的影响发现,湿度对敏感元件的影响很小;而由于H2S气体的水溶性使得湿度较大时H2S气体受湿度的影响比较大。第三章,采用溶胶-凝胶法合成了TiO2溶胶,并对其粉末进行了XRD表征。先利用浸渍提拉法制备了TiO2薄膜/锡掺杂光波导敏感元件,再通过旋转甩涂法制备了酞菁锌-TiO2复合薄膜/锡掺杂光波导敏感元件,并在室温条件下测试了其气敏性能。为了使敏感元件显示出最佳的气敏性能,分别对提拉机的提拉速度、匀胶机的转速和酞菁锌溶液的质量分数进行了筛选。由实验结果可知,当提拉机的提拉速度为80 mm/min、匀胶机的转速为1600 rpm、酞菁锌溶液的质量分数为0.05%时该敏感元件对H2S气体表现出较好的选择性响应,且对10-4V/V0的H2S气体响应时间为6 s。该敏感元件可以检测到的H2S气体的最低浓度为1×10-9V/V0。此外,敏感元件在制备后的一个月内表现出良好的稳定性。考察湿度对敏感元件的影响后发现高湿度对敏感元件存在一定的影响。第四章,利用溶胶-凝胶法合成了NiO溶胶,接着,往一定量的NiO溶胶中加入不同体积的酞菁锌溶液,超声混合后利用旋转甩涂法制备了NiO溶胶-酞菁锌复合薄膜/K+-交换光波导敏感元件,并在室温条件下测试了其气敏性能。实验结果表明,往NiO溶胶中加入的酞菁锌溶液的体积为2 m L、匀胶机转速为2000rpm时,该敏感元件对H2S气体具有较好的选择性响应,且对10-3V/V0的H2S气体的响应时间为3 s。该敏感元件可以检测到的H2S气体的最低浓度为1×10-9V/V0。此外,敏感元件在制备后的一个月内表现出良好的稳定性。通过考察湿度对敏感元件的影响发现,湿度对敏感元件的影响很小。第五章,对H2S气体与敏感元件相互作用时的气敏机理进行了探讨,并从溶液和薄膜两个角度对探讨的气敏机理进行了验证。
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