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基于氧化物纳米材料甲醛气体传感器的研究

基于氧化物纳米材料甲醛气体传感器的研究

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作者：陈思宇华南理工大学

学位级别：硕士

甲醛作为空气中与人类最相关的致癌物之一,甲醛污染始终对人类健康存在着巨大的威胁,因此对空气中甲醛的有效检测具有重要意义。目前,已经开发出多种方法用于空气中甲醛的有效检测。其中,基于氧化物纳米材料的甲醛气体传感器法因同时具... 详细信息

甲醛作为空气中与人类最相关的致癌物之一,甲醛污染始终对人类健康存在着巨大的威胁,因此对空气中甲醛的有效检测具有重要意义。目前,已经开发出多种方法用于空气中甲醛的有效检测。其中,基于氧化物纳米材料的甲醛气体传感器法因同时具备了氧化物纳米材料的高比表面积、多活性位点、多孔结构和气体传感器的高灵敏度、操作简单、成本低廉等优点,获得了广泛地关注与应用。本文主要选择两种常见的氧化物纳米材料:Ti O和Si O,并以两种材料为基础分别构建了电阻式和比色式甲醛气体传感器成功实现了对甲醛的定量检测。研究内容及相关结果如下:(1)以氟化铵为电解质、甘油和水为溶剂,采用阳极氧化法成功制备了Ti O纳米管电阻式气体传感器用于甲醛的高效检测。探究了不同湿度条件对甲醛检测的影响,发现在不同湿度下Ti O纳米管表面所携带的离子基团是不同的,不同的离子基团与甲醛反应的最终产物也是不同的,这导致了传感器在较高和较低湿度下检测甲醛产生了完全相反的检测结果(电阻减小,电阻增大)。除此以外,还探究了不同制备条件(阳极氧化电压、阳极氧化时间和退火温度)对甲醛检测的影响。在最佳制备条件下,所制备的Ti O纳米管电阻式气体传感器能够在室温下实现对甲醛的高效检测并具有良好的选择性,线性范围为0.1-10 ppm。(2)通过静电纺丝法将聚丙烯腈(PAN)和亲水SiO复合,制备出PAN/Si O复合纳米纤维膜,并通过扫描电子显微镜(SEM)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)等表征证明了Si O成功修饰在PAN纳米纤维上,经处理液处理后得到PAN/Si O比色气体传感器用于甲醛的高效检测。复合材料结合了PAN纳米纤维高比表面积、多活性位点和Si O多孔、高亲水性的优点,比纯PAN纳米纤维膜展现出更好的在较高或较低湿度下检测甲醛的能力。此外,还探究了不同制备条件(Si O质量分数和PAN质量分数)对甲醛检测的影响。在最佳制备条件下,所制备的PAN/Si O比色气体传感器展现出良好的稳定性、选择性和重现性,线性范围为25 ppb-5 ppm,实现了在30%相对湿度下对甲醛的有效检测,并且明显的颜色梯度变化更有利于对不同浓度的甲醛进行区分。

关键词：甲醛气体传感器电阻式甲醛气体传感器比色式甲醛气体传感器 TiO2纳米材料 SiO2纳米材料

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