金属有机骨架材料ZIF-8(I2)的湿敏性能研究

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地球上四分之三的面积被海洋所占据,海洋里的水分会蒸发并在空气中以水蒸气的形式存在,水蒸气无处不在,对人类的生产和生活有着很大的影响,所以对湿度的检测显得至关重要。湿度传感器是将水分按照一定规律转换成容易处理的电信号的器件。其工作原理是湿度传感器的感湿材料吸收水分后,其电学特征量如电阻、电容等发生改变,通过测量其变化值来检测湿度。随着科学技术的迅速发展,性能高稳定性好的湿度传感器越来越被人们所需求,发现新型感湿材料也越来越成为人们关注的焦点。金属有机骨架化合物(Metal-Organic Frameworks MOFs)凭借其大的比表面积、大的吸附容量和稳定性极好等特点受到大量研究人员的关注,并且由于其孔道结构可以设计,可以通过改变其结构或成分来改变其性能,因此金属有机骨架材料在湿度传感器方面有很广阔的应用前景。本文首先介绍了湿度及表示方法、湿度传感器及其分类、湿度传感器的特性参数以及发展,并且对金属有机骨架化合物进行了简单的介绍。进而对金属有机骨架材料及其碘掺杂后的材料的湿敏性能进行测试,开展的实验有:制备出分子筛咪唑酯骨架化合物ZIF-8(Zeolitic Imidazolate Frameworks)纳米晶材料,并将碘成功掺入其孔笼中。通过X射线衍射(XRD)对ZIF-8与碘掺杂ZIF-8(ZIF-8(I2))进行了晶体结构表征,通过扫描电子显微镜(SEM)对ZIF-8与ZIF-8(I2)进行了晶体形貌的表征。以ZIF-8(I2)为基体材料,采用涂膜法将其涂覆在Ag-Pd叉指电极上,制作成湿敏元件。对元件的湿敏性能进行了测试,并且分析了ZIF-8(I2)的感湿机理。取得的结果有:1)采用溶剂热法合成了ZIF-8纳米晶材料,并成功将碘的质量与ZIF-8的质量比按0.5:1,1:1,1.5:1分别掺入孔笼中。制备的样品记作ZIF-8(50%I2),ZIF-8(100%I2),ZIF-8(150%I2)。2)以ZIF-8(50%I2), ZIF-8(100%I2),ZIF-8(150%I2)为基体材料制成的湿敏元件,阻抗随湿度变化曲线线性关系良好,阻抗随湿度跨越两个数量级,而且湿敏元件的阻抗不随电压变化而变化。具体测试结果为:ZIF-8(50%I2)湿敏元件的响应时间为2min,恢复时间为40s,湿滞为6%RH;ZIF-8(100%I2)的响应时间为1min,恢复时间为2min,湿滞为7%RH;ZIF-8(150%I2)的响应时间为40s,恢复时间为3min,湿滞为8%RH。3)通过对比发现:说明碘掺杂质量的多少可以影响湿敏元件的感湿特性。碘掺杂量为1:1时的器件感湿性能最好。本文最后对ZIF-8(I2)湿敏元件的感湿进行了分析,所采用的方法为复阻抗谱分析法,实验所得结果对金属有机骨架材料在湿敏方面的应用有一定的意义。
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