氧化石墨烯气敏材料制备及在有毒有害气体检测中的应用

论文摘要

有毒有害气体浓度超标无不影响着经济效益和人类生命财产安全,如养殖场NH3浓度超标导致动物死亡或减产;冷库NH3泄露引起火灾、爆炸;煤矿开采过程中瓦斯爆炸事件时有发生。这些事故的发生往往是因为传感器检测滞后,要做到防患于未然,研究高灵敏度、低检测限的气体传感器是及其紧要的。本文以鳞片石墨为原料,分别采用改进Hummers法、低温加水以及氯乙酸改性的方法分别制备出羟基、环氧基、羧基含量差异明显的氧化石墨烯,并对其结构以及官能团类型进行分析。然后采用旋涂法制备厚度均一的氧化石墨烯气敏膜,对NH3、湿度（H2O）以及CH4的气敏性能进行研究并揭示敏感机理。在此基础上筛选分别对NH3、湿度（H2O）以及CH4选择性较强的气敏元件组成传感器阵列,对混合气氛NH3和湿度、CH4和湿度定性并定量进行检测,建立传感器阵列响应模型,并对最终测试结果进行评价。研究结果表明,采用改进的Hummers法制备的GO可以通过改变氧化剂（KMnO4）的用量来调控并提高羟基的相对含量,当高锰酸钾与石墨的质量比为3:1时,羟的含量最高,达到43.75%。GO气敏元件对NH3的灵敏度与其羟基（C-OH）相对含量成正相关关系,羟基相对含量最高时（GO-3）对20 ppm NH3的最大灵敏度为36.5%,响应时间为43 s。其响应机制是NH3分子进入GO片层或表面水分子层后水解形成NH4+的离子电导机制和GO结构层上C-OH对NH3分子吸附后的电荷转移机制。采用低温加水的方法可以有效控制GO中官能团的相对含量,尤其是环氧基,当浓硫酸40 mL,加入5 mL时,环氧基的含量可达到21.56%。这种GO相对于高羟基的GO对湿度有更好的选择性。且在低湿度下（<50%RH）,H2O分子只吸附在GO表面,恢复性和可重复性较好;在高湿度下（>50%RH）,H2O分子会进入GO层间,且不易恢复。其吸附机制主要是亲水官能团吸附H2O分子,极性官能团对H2O分子电离,在层间形成离子通道,增强导电性;环氧基与H2O分子结合会形成氢键网络,有利于电子传输。采用氯乙酸改性可以有效增加GO中羧基的相对含量,当氯乙酸的添加量为1.5 g时,羧基的含量有明显增加,由初始的5.28%提高到16.83%。羧基化GO对CH4气体表现出较好的敏感性能,对800 ppm的CH4气体灵敏度达到约80%。其敏感机理是:CH4气体分子中的H可以和GO官能团中的O以氢键的方式连接,形成氢键。在得到三种气敏元件对三种气体的响应特性后,筛选并构建高性能气体传感器阵列,获得了单一气氛和混合气氛的传感器阵列的稳态响应,并利用最小二乘原理拟合分析单一气氛和混合气氛的响应模型,对未知浓度混合气氛中的单一气氛进行结果预测并检验,结果表明这种数学模型构建拟合方法可以有效检测混合气氛中单一气体的浓度,误差低于10%,可以实现特殊场合NH3和CH4的检测需求。

论文目录

摘要

Abstract

1.绪论

1.1 立题思想与背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 环境有毒有害气体监测的研究现状

1.2.2 氧化石墨烯制备方法

1.2.3 氧化石墨烯气敏性能

1.3 存在的问题及发展趋势

1.3.1 存在问题

1.3.2 发展趋势

1.4 选题依据及意义

1.5 研究内容、目标及拟解决关键问题

1.5.1 研究内容

1.5.2 研究目标

1.6 研究技术路线

1.7 主要创新点

1.8 主要工作量

3敏感性能'>2 羟基化氧化石墨烯制备及其NH₃敏感性能

2.1 实验部分

2.1.1 原料、试剂与仪器

2.1.2 实验及步骤

2.1.3 样品表征

2.2 羟基化氧化石墨烯属性表征

2.2.1 氧化石墨烯结构分析

2.2.2 氧化石墨烯官能团分析

2.2.3 氧化石墨烯厚度分析

3敏感性能分析'> 2.3 羟基型氧化石墨烯的 NH₃敏感性能分析

3 敏感性能测试装置'> 2.3.1 NH₃敏感性能测试装置

2.3.2 静态灵敏度测试

2.3.3 动态灵敏度测试

2.3.4 稳定性和重复性测试

2.3.5 选择性测试

3分子机理'> 2.3.6 GO 吸附 NH₃分子机理

2.4 结论

3.环氧基化氧化石墨烯制备及其湿敏性能

3.1 实验部分

3.1.1 原料、试剂与仪器

3.1.2 实验及步骤

3.1.3 GO水分散液样品的制备

3.2 环氧基化氧化石墨烯属性表征

3.2.1 氧化石墨烯结构分析

3.2.2 氧化石墨烯厚度分析

3.2.3 氧化石墨烯官能团分析

3.3 环氧基型氧化石墨烯的湿敏性能分析

3.3.1 湿敏性能测试装置和方法

3.3.2 选择性

3.3.3 静态灵敏度测试

3.3.4 动态灵敏度测试

3.3.5 响应恢复时间

3.3.6 连续动态响应恢复

3.3.7 重复性和稳定性测试

3.3.8 湿敏机理分析

3.4 结论

4敏感性能'>4 羧基化氧化石墨烯制备及其 CH₄敏感性能

4.1 实验部分

4.1.1 原料、试剂与仪器

4.1.2 实验及步骤

4.1.3 样品表征

4.2 羧基化氧化石墨烯属性表征

4.2.1 氧化石墨烯结构分析

4.2.2 氧化石墨烯官能团分析

4.2.3 氧化石墨烯薄膜厚度分析

4.3 羧基化氧化石墨烯CH4敏感性能分析

4 气敏感性能测试装置和方法'> 4.3.1 CH₄气敏感性能测试装置和方法

4.3.2 静态灵敏度测试

4.3.3 动态灵敏度测试

4.3.4 响应恢复时间

4.3.5 重复性和稳定性测试

4 敏感机理分析'> 4.3.6 CH₄敏感机理分析

4.4 结论

5 氧化石墨烯气体传感器阵列响应及应用分析

5.1 多组分测试平台搭建

5.2 传感器阵列响应

5.2.1 单组气氛响应

3和湿度（H₂O）两组气氛共响应'> 5.2.2 NH₃和湿度（H₂O）两组气氛共响应

4和湿度（H₂O）两组气氛共响应'> 5.2.3 CH₄和湿度（H₂O）两组气氛共响应

5.3 传感器阵列响应分析

5.3.1 单一气体响应分析

5.3.2 两组混合气氛响应分析

5.4 气体传感器的性能检验及测试

5.5 结论

结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文和研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杨建召

导师: 孙红娟

关键词: 氧化石墨烯,官能团,气敏性能,阵列传感器,预测模型

来源: 西南科技大学

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅰ辑

专业: 材料科学,安全科学与灾害防治

单位: 西南科技大学

基金: 国家自然科学基金资助项目(41772036),四川省科技厅项目(2017GZ0114),国家自然基金:功能化石墨烯气体传感器多气氛检测技术及敏感机理,编号:U1630132,四川省科技厅项目:具有光学气敏特性的石墨烯光学检测仪,编号:2016GZ0428,西南科技大学研究生创新基金项目:一种超高灵敏度石墨烯氨气气体传感器,编号:18ycx040

分类号: TB381;X924

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