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碳纳米管作为一种理想的一维纳米材料,具有较大的比表面积、中空结构和独特的电学性质,这些都为其在传感器特别是气体检测方面提供了广阔的应用前景。目前已有几种方法被发展用来对碳纳米管进行功能化处理,包括共价和非共价化学功能化,而且研究结果显示功能化的碳纳米管作为气体传感器具有更好的气敏响应性能。本论文主要是通过在碳纳米管的表面修饰聚苯胺和金纳米粒子制备纳米复合材料并进而检测其对氨气的气敏性质,同时对氨气气敏响应机理进行了进一步的研究与讨论。
首先,将碳纳米管在硝酸溶液中进行回流来使其纯化,这会使得在碳纳米管的缺陷部分生成羧基并提高碳纳米管在1MHC1溶液中的溶解度。傅立叶转换红外光谱(FT-IR)分析结果显示,在1720cm-1处出现了羧基伸缩振动的特征吸收峰,证明了在碳纳米管的管壁和端口处有羧基基团生成。然后,凭借碳纳米管和苯胺单体之间存在的π-π*电子相互作用以及碳纳米管上羧基和苯胺单体中氨基之间的氢键作用力,使得苯胺单体被吸附在碳纳米管表面并发生原位聚合,从而成功的合成了PANI/MWNT复合材料和Au/PANI/MWNT纳米复合材料。SEM、TEM分析结果显示这两种复合材料都是管状核壳结构,碳纳米管作为核,聚苯胺均匀的覆盖在碳纳米管表面形成壳,同时在Au/PANI/MWNT纳米复合材料中还可见有金纳米粒子分散于聚苯胺层中。此外,实验过程中还采用了FT-IR、Raman、XRD和XPS等分析表征手段对材料进行了详细的分析研究。
随后,将这两种复合材料分别沉积于金电极表面进一步制成传感器来检测其对氨气的气敏特性,结果显示这两种纳米复合材料对于氨气都有很强的响应,且与未功能化的碳纳米管相比,响应的灵敏度更高。但是实验中也发现,Au/PANI/MWNT纳米复合材料较之PANI/MWNT复合材料来说,表现出了更好的重复性,因此当金纳米粒子掺杂在内时,可以在一定程度上提高传感器的气敏性能。同时,实验显示基于Au/PANI/MWNT纳米复合材料的氨气传感器还具有很好的稳定性,长时间放置之后,对氨气仍然具有很好的响应效果。
最后,对这两种复合材料的气敏响应机理进行了研究与讨论,认为气敏响应的机理主要源于聚苯胺的质子化/去质子化现象。在导电状态下,聚苯胺是具有N+-H吸附空位的P型半导体,在气敏性质的检测过程中,氨气所引起的质子化/去质子化现象使得聚苯胺在高导电率的盐式中间氧化态和低导电率的碱式中间氧化态之间相互转化,聚苯胺的电阻发生变化,从而表现为这两种复合材料的氨气气敏性质。