【摘 要】
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工农业生产、汽车尾气排放会产生大量的氨气(NH3),它作为一种有毒的刺激性气体,长期处于高于25 ppm的NH3气氛中会对人体的呼吸系统、皮肤、眼睛等造成损伤;此外,氨气存在于人体呼出气体中,是一种重要的生理指标。随着气体传感器和柔性电子器件的不断发展,研究者们将目光转向了可在室温下对待测气体进行实时检测的柔性气体传感器。SnO2因其对多种气体的高灵敏度响应,是气体传感材料的重要组成部分。为降低S
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工农业生产、汽车尾气排放会产生大量的氨气(NH3),它作为一种有毒的刺激性气体,长期处于高于25 ppm的NH3气氛中会对人体的呼吸系统、皮肤、眼睛等造成损伤;此外,氨气存在于人体呼出气体中,是一种重要的生理指标。随着气体传感器和柔性电子器件的不断发展,研究者们将目光转向了可在室温下对待测气体进行实时检测的柔性气体传感器。SnO2因其对多种气体的高灵敏度响应,是气体传感材料的重要组成部分。为降低SnO2的工作温度,学者们从减小晶粒尺寸、设计低维纳米结构、设计SnO2复合传感材料等方面展开了研究。还原氧化石墨烯(rGO)具有优异的电导率和化学稳定性,将其与SnO2复合,可以极大地减小传感器的电阻,能一定程度上改善气体传感性能,并实现室温下的气体检测。目前,柔性气体传感器的制备一般是将预制备的传感材料以物理吸附的方式沉积在柔性基材表面成膜,在使用过程容易发生磨损和脱落。本文提出了一种新型的柔性气体传感器制备方法,借助Sn4+和GO间的静电吸引力,以层层自组装的方式在预处理过的聚酰亚胺织物表面形成稳定的多层膜,然后采用水热法使Sn4+和GO在织物表面原位成核和还原得到SnO2/rGO复合涂层织物,以期得到均匀分散的小粒径SnO2,并增强SnO2和rGO的相互作用以及涂层的牢固度。论文主要内容和结论如下:(1)采用静电层层自组装的方式在预处理的聚酰亚胺(PI)织物表面涂覆Sn4+和GO,并通过原位水热法在织物表面原位生长得到SnO2/rGO复合涂层。通过拉曼光谱、扫描电镜、X射线衍射仪和静态气体测试系统表征了不同实验条件下样品的形貌结构、导电性能和氨气传感性能。结果表明:Sn4+/GO浓度比为100(m M/mg·mL-1)时,将Sn4+和GO在PI表面循环涂覆5次,于180℃的水热釜中反应16h,制得的PI-SnO2/rGO在室温下对200 ppm氨气的灵敏度最高。复合涂层中SnO2纳米粒子分散均匀,粒径约为3 nm。随着初始GO羧基化程度的下降,SnO2纳米粒子粒径稍有增大,SnO2 NPs和rGO的相互作用减弱。(2)室温下测试最佳工艺条件下制备的复合涂层织物的氨气传感性能,PI-SnO2/rGO表现为n型传感,对100 ppm NH3的响应值为5.16%,具有较快的响应速度(94 s/57 s);传感器对50~400 ppm NH3的检测表现出良好的线性响应(R~2=0.995);传感器对氨气的响应值也高于干扰行气体,选择性好;器件表现出良好的连续测量重复性和长期稳定性;织物传感器在不同湿度条件下(42%~65%)灵敏度变化率<5%,具有较好的稳定性;通过显微拉伸仪对复合涂层织物拉伸2000次后,灵敏度损耗仅为3%,表现出优异的耐机械变形性。随着初始GO羧基化程度对下降,PI-SnO2/rGO*则表现为p型传感,对100 ppm NH3的响应值为11.3%,响应和恢复时间较长(1000 s/267 s),这主要归结于NH3分子作用位点的改变,NH3由SnO2表面转为与rGO片层表面接触,且SnO2和rGO的电荷传输作用减弱。本文提供了一种新型织物基气体传感器的制备方法,简单可控,传感器表现出良好的稳定性,可在柔性气体传感器和可穿戴电子器件等领域中推广这一方法。
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