花状氧化锌的制备及其对爆炸物检测的应用研究

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近年来,在维护国土安全和对抗恐怖主义方面,探测爆炸物和爆炸性化合物已成为一个各国高度关注的问题。因而爆炸物检测在反恐防暴和维护国家安全方面具有重要的意义。目前,爆炸物检测的研究对象主要集中在制式爆炸物,而对恐怖分子常用的非制式爆炸物的检测缺乏系统研究。基于纳米材料的气敏传感器具有体积小、能耗低、灵敏度高、响应快等优点,在制式和非制式爆炸物的痕量检测中均占有重要地位。由于爆炸物检测材料需要具备较强的气体吸附性能,因而我们使用水热法合成了一种多空隙的花状氧化锌(Zn O)。通过调节表面活性剂聚乙二醇(PEG)和二水合柠檬酸三钠(C6H5O7Na3?2H2O)的含量,制备了一种具有分级结构的花状氧化锌。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对其进行表征,结果表明这种分级结构的氧化锌为六方纤锌矿结构,每一个纳米花都由纳米片自组装而成。进一步研究表明二水合柠檬酸三钠辅助纳米片自组装,而聚乙二醇(PEG)给予了纳米片的成核点,二者相互作用,使纳米片自组装成纳米花结构。接下来,比较了花状氧化锌和氧化锌纳米晶的各方面性能。使用X射线衍射仪分析了两种样品的结构性能,使用扫描电子显微镜观察和分析了两种样品的形貌特征。并测量了两种样品在紫外光照射下的光电流大小,发现花状氧化锌的光电流信号远远高于氧化锌纳米晶的信号,分析得出氧空位和化学吸附氧是影响两者光电流大小的关键因素。同时,在不同爆炸物气氛下也测试了花状氧化锌的光电流特性,分析得出在被检测气体中氧气可以获得电子,而得到电子的氧离子也会失去电子。因此,氧化锌表面耗尽层宽度的变化取决于氧化锌从气体中获得或失去电子的能力。基于此,我们开发了基于花状氧化锌的光电气敏传感器,并用来检测有机的制式性爆炸物三硝基甲苯(TNT),硝基甲苯(DNT),对硝基甲苯(PNT),苦味酸(PA)等。此外,我们还开发了锰掺杂的氧化锌基传感器阵列,并用来检测多种制式和非制式的爆炸物,其中包括TNT,DNT,PA,PNT,硫(S),硝酸铵(AN),黑火药(BP),高锰酸钾(PP),硝酸钾(PN)和氯酸钾(PC)等。这种由多个传感器构成的传感器阵列,因其制造简单且是小型化、便携的集成化电子电路,具有很大的发展潜力。我们以不同的锰掺杂花状氧化锌为基础,经传感测试,制造了具有不同锰含量掺杂的花状氧化锌阵列,使其具备比单一传感器更加优异的传感性能。下一步工作中,将构造更加普适、简易、灵敏的传感器系统用于实际复杂环境体系中检测爆炸物。
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