基于納米分子篩敏感膜的氣敏傳感器研究.pdf

1、本文對(duì)納米分子篩敏感膜的氣敏特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,研制了用于探測(cè)神經(jīng)類毒氣的基于納米分子篩敏感膜QCM傳感器和阻抗型傳感器。本文的研究一方面探索了納米分子篩的物理和化學(xué)性質(zhì)對(duì)其敏感特性前影響以及納米分子篩的吸附特性和脫附特性等科學(xué)問題,另一方面為快速檢測(cè)神經(jīng)類毒氣的實(shí)際應(yīng)用提供了一條新的途徑。
　　 本文的研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面:
　　 首先根據(jù)目標(biāo)氣體化學(xué)神經(jīng)類毒氣沙林的類似物,即甲基磷酸二甲酯(DMMP)分子的

2、性質(zhì),以及分子篩敏感膜吸附的特點(diǎn),選取并制備了三種不同的納米分子篩敏感材料:Silicalite-1、ZSM-5和Cu-ZSM-5納米分子篩。采用水熱合成法制備了Silicalite-1和ZSM-5納米分子篩。Cu-ZSM-5分子篩通過用銅離子置換ZSM-5分子篩中的陽離子所得到。對(duì)分子篩材料進(jìn)行了SEM表征。使用EDX(EnergyDispersiveX-ray)分析了Cu-ZSM-5分子篩的銅離子含量:隨著離子交換次數(shù)的增加,銅離子

3、含量也不斷增加,得到了五種不同銅離子含量的Cu-ZSM-5分子篩。使用粘合劑MPT和PDDA成功地在金表面進(jìn)行了分子篩敏感膜的自組裝。
　　 研制了基于納米分子篩的QCM氣敏傳感器,并且全面地研究了QCM傳感器的特性:傳感器的靈敏度、選擇性、重復(fù)性。研究了Silicalite-1、ZSM-5和Cu-ZSM-5三種納米分子篩對(duì)DMMP的吸附和脫附特性,比較了不同分子篩的敏感特性。
　　 根據(jù)Cu2+對(duì)磷酸酯有特殊的親和力的

4、機(jī)理,本文首次提出采用Cu修飾的Cu-ZSM-5分子篩作為探測(cè)DMMP的敏感材料,以進(jìn)一步提高探測(cè)靈敏度。研究結(jié)果表明:Silicalite-1分子篩敏感膜的最低檢測(cè)濃度為3ppm,靈敏度為1Hz/ppm;.ZSM-5分子篩的靈敏度,達(dá)到2.1Hz/ppm,最低檢測(cè)濃度達(dá)到1ppm;而Cu-ZSM-5分子篩的靈敏度最高,達(dá)到8.8Hz/ppm,最低檢測(cè)極限為0.3ppm。同時(shí),實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)Cu-ZSM-5分子篩中的銅含量大于2％以后,其

5、對(duì)DMMP的吸附量就趨于飽和。在分子篩對(duì)DMMP的選擇性方面,Cu-ZSM-5分子篩對(duì)DMMP的吸附選擇性也要優(yōu)于Silicalite-1分子篩,并且隨著銅離子含量的增加,選擇性也越好。
　　 為了使傳感器獲得良好的快速重復(fù)測(cè)量,研究了分子篩的脫附特性。本文研究了一種超聲頻交變電場(chǎng)新的脫附方法。并比較了氮?dú)獯迪捶?、高溫脫附法和超聲頻交變電場(chǎng)三種不同的脫附方法。結(jié)果顯示:氮?dú)獯迪捶ú⒉荒芡耆笵MMP分子脫附出來,脫附力較弱,脫附

6、效率較低。高溫脫附法有利于氣體分子的脫附,同時(shí)使得分子篩的表面性質(zhì)得到改善,孔道得到再生。通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)確定了最佳脫附條件是在250℃的溫度下加熱30分鐘。雖然高溫脫附能夠獲得較高的脫附率,但是它的缺點(diǎn)是脫附的時(shí)間較長(zhǎng)。而且脫附溫度不能太高,否則會(huì)破壞分子篩的結(jié)構(gòu),減少分子篩的使用壽命。超聲頻交變電場(chǎng)脫附法是利用交變電場(chǎng)可以將極化的DMMP分子極性鍵打亂,減弱分子篩和DMMP分子之間的作用力,使氣體分子就很容易從分子篩的表面脫離出來,并且

7、響應(yīng)時(shí)間大大優(yōu)于高溫脫附。
　　 研制了基于納米分子篩敏感膜的阻抗型傳感器。采用Silicalite-1和Cu-ZSM-5分子篩,將其組裝在梳狀微電極上,構(gòu)成了用于探測(cè)DMMP的阻抗型傳感器。Silicalite-1和Cu-ZSM-5分子篩具有不同的阻抗特性。Silicalite-1分子篩阻抗較大。因?yàn)镾ilicalite-1分子篩是只由硅和氧組成的純硅分子篩,具有非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),離子活性很小,所以電導(dǎo)率很小。Cu-ZSM-5具