基于多孔材料和钽酸钠的湿敏传感器的研究

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随着社会的发展和人们生活水平的提高,湿度检测已成为一个重要课题。诸如:食品存储,工农业生产,以及环境监测等等,均离不开对湿度的监测,因此,湿敏传感器应运而生。湿敏传感器是用于检测外界环境的湿度,并将其转换为可以测量的信号的一类器件,它由电极,感湿材料,和测试电路组成。其中,感湿材料是构成器件的重要组成部分。湿敏传感器感湿材料的选择依据是:材料的比表面积大,拥有较多的能与水发生相互作用的活性位点,材料的物理和化学性质稳定。本论文选择了多孔材料和NaTaO3作为感湿膜。多孔材料具有独特的孔道和优越的比表面积,论文中分别选择了NaA分子筛和NH2-MIL-125(Ti)两种多孔材料为感湿膜,进行研究。NaA是较为经典的一类分子筛,它是由4元环和6元环相互连接,在其晶胞的中心形成一个笼的三维骨架结构。孔口由8元环围成,直径是4.1,笼的最大直径约为11.40。该结构中,有Na+作为阳离子平衡电荷,使整个结构呈中性,因此具有良好的物理和化学稳定性。在较为苛刻的条件下,它仍能保持结构完整。NH2-MIL-125(Ti)是由金属钛和2-氨基对苯二羧酸桥连构成的三维骨架结构,该结构包含两种孔笼,一种是八面体,另一种是四面体,它们的自由孔径在5~7。此外,NH2基团并未参与配位。NH2-MIL-125(Ti)不仅具有较大的孔容和比表面积,而且在其孔壁上有很多亲水活性位点。另外,NH2-MIL-125(Ti)在100%RH环境中,结构仍稳定存在。同时,为了进一步提高基于NaA分子筛和NH2-MIL-125(Ti)的湿敏性能,对它们分别进行了掺杂处理。NaTaO3材料是一类钙钛矿型化合物,它不仅具有钙钛矿化合物的独特的优点,而且具有与水相互作用的活性位点,可以将其利用在湿敏传感中,论文中研究了NaTaO3为敏感膜的感湿性能。本论文的主要内容如下:(1)采用水热法合成了NaA分子筛,制成了基于NaA的湿敏传感器。在相对湿度11%RH~95%RH,器件阻抗-相对湿度线性度良好,同时,器件具有很好的长期稳定性。向NaA中掺入LiCl,创新性的制成了基于LiCl/NaA的湿敏传感器,LiCl的引入,使器件在全湿范围内,灵敏度得到了提升。(2)采用溶剂热法合成NH2-MIL-125(Ti),制成了基于NH2-MIL-125(Ti)的湿敏传感器。该器件在11%RH到95%RH范围内,阻抗值跨越了约2个数量级,且阻抗-相对湿度线性关系良好。将FeCl3掺入到NH2-MIL-125(Ti)中,创新性的制成了基于不同质量比的Fe-NH2-MIL-125(Ti)湿敏传感器。湿敏测试表明:最佳掺杂比例为8wt%。基于Fe-NH2-MIL-125(Ti)(8wt%)的器件在全湿范围内,灵敏度进一步提升,阻抗的变化量扩至约3个数量级,阻抗-相对湿度线性度良好。(3)采用水热法制成了钽酸钠纳米粒子,并制成了基于钽酸钠的湿敏传感器,当湿度在33%RH到95%RH时,器件的阻抗减小了3个数量级,并且阻抗-相对湿度线性关系良好,器件的湿滞较小。本论文通过以上三个方面的工作,得到NaA分子筛和NH2-MIL-125(Ti)两种多孔材料和钽酸钠材料均可以作为感湿膜。同时,通过掺杂处理,能进一步改进湿敏性能,为湿敏传感器感湿材料的开发提供了一个新的途径。
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