導(dǎo)電聚合物納米復(fù)合薄膜的制備及其氨敏特性研究.pdf

1、作為氣體傳感器的核心，氣敏材料正在由單—材料向復(fù)合材料發(fā)展。導(dǎo)電聚合物/無機(jī)納米復(fù)合材料綜合了導(dǎo)電聚合物和無機(jī)納米材料的各自優(yōu)點(diǎn)，在氣敏特性方面擁有許多優(yōu)異的性能。本論文運(yùn)用原位自組裝技術(shù)制備了一系列導(dǎo)電聚合物/無機(jī)納米復(fù)合薄膜，并運(yùn)用多種方法對其進(jìn)行了表征和分析：設(shè)計(jì)并制備了平面微叉指電極器件結(jié)構(gòu)，深入研究了導(dǎo)電聚合物/無機(jī)納米復(fù)合薄膜傳感器的NH3氣敏性能。將不同的導(dǎo)電聚合物/無機(jī)納米復(fù)合薄膜應(yīng)用于微氣體傳感器陣列，同時(shí)與人工神經(jīng)網(wǎng)

2、絡(luò)模式識(shí)別技術(shù)相結(jié)合構(gòu)成氣體辨識(shí)系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)了對多氣體的定性分析。其主要內(nèi)容歸納如下： 1．室溫條件下，運(yùn)用原位自組裝技術(shù)制備了聚吡咯(PPy)和聚吡咯/二氧化鈦(PPy/TiO2)氣敏薄膜，并首次研究了PPy/TiO2納米復(fù)合薄膜的NH3敏特性。光譜分析表明，PPy和TiO2在形成納米復(fù)合材料時(shí)二者之間存在一定的相互作用；熱失重法(TG)分析表明，PPy/TiO2納米復(fù)合材料較純PPy材料的熱穩(wěn)定性好；形貌分析發(fā)現(xiàn)，PPy/

3、TiO2納米復(fù)合材料呈典型的核—?dú)そY(jié)構(gòu)，其復(fù)合薄膜比單一的PPy薄膜生長地更均勻、致密，且顆粒粒徑更小，這使得復(fù)合薄膜具有更大的比表面積及更多的表面活性位，結(jié)構(gòu)缺陷減少，納米粒子吸附能力增強(qiáng)，從而使得復(fù)合薄膜的敏感性能優(yōu)于純的PPy薄膜，這與氣敏特性研究結(jié)果一致。當(dāng)TiO2溶膠的濃度為0.1wt％，薄膜沉積時(shí)間為20min時(shí)，PPy/TiO2納米復(fù)合薄膜傳感器的敏感性能最佳。建立了PPy基氣體傳感器微觀氣敏響應(yīng)模型，并根據(jù)該模型計(jì)算出P

4、Py及PPy/TiO2氣敏薄膜與NH3氣體之間的平衡常數(shù)分別為1.18×10-2和1.32×10-2。 2．運(yùn)用原位自組裝法制備了聚苯胺(PANI)和聚苯胺/二氧化鈦(PANI/TiO2)薄膜，并研究了其NH3敏性能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在PANI鏈增長初期插入基片可獲得光滑透明的薄膜；PANI/TiO2納米復(fù)合薄膜傳感器能夠有效探測較低濃度的NH3(1ppm)，且其敏感性能明顯優(yōu)于純的PANI薄膜，這是因?yàn)镻ANI/TiO2復(fù)合薄膜的多

5、孔納米纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更有利于氣體的吸附和擴(kuò)散，同時(shí)在TiO2表面形成的正電荷消耗層造成了復(fù)合薄膜對NH3氣體活化能和物理吸附焓的降低。摻雜酸種類和聚合溫度對PANI/TiO2復(fù)合薄膜的形貌及氣敏性能有一定的影響。結(jié)果表明，在10℃下以HCl為摻雜酸制備的PANI/TiO2復(fù)合薄膜傳感器對NH3(23-141ppm)的響應(yīng)時(shí)間達(dá)到2s，恢復(fù)時(shí)間小于60s，其靈敏度值與NH3濃度具有良好的線性特性；該傳感器同時(shí)具有良好的重復(fù)性、選擇性和穩(wěn)定性

6、。溫度對該傳感器的響應(yīng)特性有較大影響，其對NH3的靈敏度值隨溫度的升高呈倒數(shù)關(guān)系減小，而環(huán)境濕度的影響則相對較小。 3．采用軟模板法制備了聚苯胺/氧化銦(PANI/In2O3)、聚苯胺/氧化錫(PANI/SnO2)和聚苯胺/多壁碳納米管(PANI/MWNT)復(fù)合薄膜，并研究了其NH3敏感性能，重點(diǎn)研究了陽離子表面活性劑十四烷基三甲基溴化銨(TTAB)和非離子表面活性劑聚氧乙烯(20)失水山梨醇單月桂酸酯(Tween-20)對PA

7、NI/In2O3納米復(fù)合薄膜形貌及氣敏特性的影響。X射線衍射分析(XRD)和形貌分析發(fā)現(xiàn)，TTAB和Tween-20在一定程度上減小了In2O3納米顆粒的團(tuán)聚，使得復(fù)合薄膜具有更致密的納米纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且納米纖維直徑更??；但不同濃度的TTAB造成了不同的PANI/In2O3復(fù)合薄膜形貌和敏感性能，這一現(xiàn)象可能與TTAB在水介質(zhì)中形成的超分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。氣敏特性研究表明，采用TTAB且TTAB與納米粉體的物質(zhì)的量為0.5時(shí)，制備的復(fù)合薄膜具

8、有最高的靈敏度，但其響應(yīng)及恢復(fù)時(shí)間增長，這可能是由于致密的薄膜表面在一定程度上阻礙了氣體分子的吸附和解析。基于Langmuir吸附模型建立了PANI及其復(fù)合薄膜傳感器對NH3氣體的吸附/解吸附動(dòng)力學(xué)方程，模擬結(jié)果與實(shí)際響應(yīng)曲線有較好的一致性。 4．采用4個(gè)半導(dǎo)體氣體傳感器分立元件構(gòu)建了氣體傳感器陣列，并分別與基于誤差反向傳播算法(BP算法)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和自組織競爭網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對40—1000ppm濃度范圍內(nèi)CO和H2氣體