基于聚吡咯复合薄膜的柔性NO2气体传感器的研究

摘要

NO2是一种有毒有害气体，对自然环境和人类生存造成了严重的损害。多年来随着社会经济的不断发展、信息时代应用需求的提升，研究人员不仅致力于提高NO2传感器的灵敏度、降低检测限度，而且倾力于柔性NO2传感器的研究。本论文就前人的研究基础，采用原位自组装与化学氧化聚合相结合的方法分别与二氧化铈（CeO2）和氮掺杂多壁碳纳米管（N-MWCNTs）复合，在柔性衬底聚酰亚胺（PI）上制备 PPy-CeO2复合薄膜和 PPy/N-MWCNTs 复合薄膜，并在室温下检测了低浓度（0.5-10 ppm）NO2气体。结合复合薄膜的形貌分析和光谱分析，建立了相应的气敏机理。具体研究内容如下： 1.以吡咯（Py）单体为前驱液，六水合三氯化铁（FeCl3·6H2O）为氧化剂，在柔性聚酰亚胺（PI）衬底上制备聚吡咯-二氧化铈（PPy-CeO2）复合薄膜。通过UV-Vis、FTIR、SEM、TEM及XRD、XPS对纯PPy和PPy-CeO2复合材料进行了表征分析，结果表明：PPy 与 CeO2以一定的相互作用复合，且 PPy-CeO2呈典型的核-壳结构。在室温条件下研究了纯 PPy 薄膜和不同配比的 PPy-CeO2复合薄膜对二氧化氮（NO2）的响应特性，结果表明，PPy-CeO2复合薄膜传感器显示出更优的响应特性，当Py单体与CeO2的摩尔比为2时，复合薄膜的灵敏度是纯PPy薄膜传感器的12.6倍，且具有良好的重复性和选择性，当对该柔性传感器进行500次弯曲-拉伸循环后，薄膜对10 ppm NO2的响应度降低了3.4%，最后简要分析讨论了PPy-CeO2复合薄膜传感器的NO2敏感机理。 2.以同种制备工艺在柔性衬底上制备PPy/N-MWCNTs复合薄膜，并对该复合薄膜进行退火处理。通过SEM和TEM形貌分析表明，复合薄膜呈多孔棒状结构， PPy和N-MWCNTs呈典型的核壳结构，有利于NO2气体的吸附。对比分析退火对复合薄膜的影响，结果表明：退火后的复合薄膜对 NO2气体具有更高的响应度，是未退火复合薄膜响应度的10.2倍，且在200-400℃退火范围内，复合薄膜对NO2的气敏响应度先上升后下降，在 350℃时达到最高。然后探讨了不同 N-MWCNTs掺杂量对PPy/N-MWCNTs复合薄膜的气敏影响，结果表明：当N-MWCNTs掺杂量为10 mg时，复合薄膜对NO2的气敏响应度达最高，对5 ppm NO2的响应度为-23.84%，弯曲-拉伸 500 次后，响应度不变，1500 次后，响应度差异较小，最后对PPy/N-MWCNTs复合薄膜的增敏机理作了简要分析。

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