碳納米管氣-濕敏傳感器的制備及特性研究.pdf

1、神經(jīng)毒劑自其出現(xiàn)以來，用于戰(zhàn)爭和恐怖襲擊事件時有發(fā)生，因此，發(fā)展和研制神經(jīng)毒劑傳感器，對國家和公共安全都有重要意義。碳納米管以其極高的長寬比和比表面積，以及強的氣體吸附能力，成為氣體傳感器中一種非常理想的敏感材料。本文分別采用氣噴、絲網(wǎng)印刷、化學氣相沉積、電泳和自組裝工藝制備碳納米管薄膜，并運用多種方法進行了表征和分析；制備了平面叉指電容型和平板電容器型傳感器，測試和研究了碳納米管傳感器對甲基磷酸二甲酯（DMMP）蒸氣的氣體敏感特性。其

2、主要內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　1.采用氣噴工藝制備單壁碳納米管平面叉指電容型傳感器，在暴露到DMMP蒸氣中時，電容迅速減小，電容響應幅度隨著DMMP蒸氣濃度的增加而增大，對12mg/m3 DMMP蒸氣的電容響應達到12.43％。傳感器具有良好的重復性和選擇性。同時也測試了傳感器的電阻變化，電阻響應隨DMMP蒸氣濃度的增加而增加，其響應幅度比電容小約一個數(shù)量級。氣噴多壁碳納米管傳感器、單壁碳納米管和聚甲基-{3-[2-羥基-3,5

3、-二(三氟甲基)]苯基}-丙基硅氧烷（DKAP）復合薄膜傳感器與單壁碳納米管傳感器有類似的電容響應特性，但其電容響應都顯著變小，對12mg/m3 DMMP蒸氣的電容響應分別為1.39%和0.54%。復合薄膜中DKAP纏繞和包裹了單壁碳納米管，減小了碳納米管的有效表面積，使其電容響應明顯小于相應的單壁碳納米管傳感器。實驗還發(fā)現(xiàn)，具有較大初始電容和損耗角正切的傳感器，薄膜更為稠密，形成的微孔尺寸較小，用于吸附的有效表面積較大，具有的電容響應

4、更大。
　　2.采用絲網(wǎng)印刷工藝制備單壁碳納米管傳感器，對50ppm(250mg/m3) DMMP蒸氣的電阻響應為16.4×10-3。由于絲網(wǎng)印刷碳納米管膜中殘留有乙基纖維素等原料，所以其電阻響應幅度遠低于氣噴工藝所制碳納米管傳感器。該傳感器具有很好的重復性和長期穩(wěn)定性，但是其電阻恢復較慢，特別是在高濃度下較為明顯。傳感器對空氣中存在的水、氧氣和二氧化碳等氣體選擇性較好，但對 NH3等強氧化還原性氣體和醇、芳烴等有機蒸氣的選擇性很

5、差。因為這些氣體與殘留的乙基纖維素有較好的吸附作用。絲網(wǎng)印刷單壁碳納米管傳感器上下板極之間形成的平板電容對DMMP蒸氣也有響應，當暴露到20mg/m3 DMMP蒸氣中時，其電容響應僅為0.028%，低于電阻的響應。
　　3.采用自組裝工藝在 QCM上制備了單壁碳納米管氣體傳感器，由聚電解質(zhì)聚二烯丙基二甲基氯化銨（PDDA）和單壁碳納米管層交替組裝而成，發(fā)現(xiàn)傳感器對濕度的響應明顯大于DMMP蒸氣的響應。并對比了含有-COOH和不含-

6、COOH的碳納米管原料對傳感器濕敏的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當濕度從20.9%變化到80.2%時，自組裝PDDA/SWNT-COOH傳感器和PDDA/SWNT QCM傳感器的頻率相對變化分別為16.64%和13.84%，前者相對于后者靈敏度提高了20.23%，而且選擇性更好，響應時間更短，而恢復時間則更長，相應的濕滯也從3.9%增大到8.0%。這是因為含羧基的單壁碳納米管在氧化處理后其π-π*轉(zhuǎn)變結(jié)構(gòu)和相應含氧官能團的含量高于經(jīng)氧化處理的普通單