植物纤维传感器的制备及其气敏性能研究

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气敏传感器主要由传感材料和传感基底构成,理想的气敏传感器需满足灵敏度高、选择性好、响应速度快等指标。目标气体分子与传感材料的相互作用主要发生在传感材料表面,传感材料的结构性能和传感基底的气体通透性影响着气敏传感器的检测性能。而传统的传感基底如陶瓷,通透性差、难降解,不仅限制了传感材料气敏性能的发挥,而且易产生固体废弃物。因此,本文主要研究了利用可降解、通透性好的植物纤维(滤纸和棉布)作为传感基底,利用成本低、结构和性能易于调控的高分子聚合物聚苯胺(PANI)作为传感材料,然后从传感材料和传感基底两方面来调控其气敏性能,聚焦植物纤维基PANI气敏传感器的构建和气敏性能调控中的科学问题,并且与传统基底PANI气敏传感器进行比较。主要工作如下:(1)首次采用喷涂技术研制出类花簇状聚苯胺基涂层滤纸的柔性传感器(PCFP)。滤纸的特殊分层结构、超强的渗透性以及聚苯胺的氨基与目标气体的硝基之间的相互作用,使得PCFP在室温下对2,4,6-三硝基甲苯(TNT)、苦味酸(PA)和2,4-二硝基甲苯(DNT)检测响应分别为237.7、100.6和80.1%,且平均响应和恢复时间分别不超过8.1 s和1.9 s。TNT和PA的理论检测限分别为0.094和0.029 ppb。更重要的是,聚苯胺特殊的花簇状结构使其具有良好的抗弯稳定性。在弯曲2000次40°后响应下降小于7.9%(在误差范围内),所以该方法适合经济、高效、大规模的制备纸基柔性传感器。(2)为了避免传统传感基板带来的浪费,制备负载了均匀PANI涂层的棉条传感器(CSPS)和棉线传感器(CYPS),结果显示其具有良好的机械性能、电磁屏蔽性能和气体传感性能。CSPS和CYPS在室温下对NH3都有很高的选择性,对湿度有很强的抗干扰性。准一维CYPS具有更高的表面暴露率使其对100 ppm NH3的响应与CSPS(-32.1%)相比提高到-92.1%,恢复时间与CSPS(30.1 s)相比缩短到20.1 s。该工作拓展了棉纤维的应用领域。(3)一维纳米结构和高渗透率可增强气体传感性能。受此启发,制备了一维分层聚苯胺/多壁碳纳米管(PANI/CNT)。实验发现简单加热使PANI的传感特性从p型转变为n型并且PANI/CNT与PANI和CNT传感器相比具有较好的灵敏度,可逆性以及更好的选择性,且响应和恢复速度更快。PANI/CNT的传感器对50 ppm NO2和NH3的响应和恢复时间仅为5.2 s、2.2 s和2.3 s、3.6 s,表现出了实时响应的能力。PANI/CNT对NO2和对NH3的检测限分别低至16.7 ppb和6.4 ppb。这项工作对低成本、高性能的PANI/CNT传感器的发展打下基础。
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