多壁碳纳米管的掺杂及其气敏特性研究

论文摘要

碳纳米管具有丰富的孔隙结构、大的比表面积和很高的表面能,是一种具有广阔应用前景的气敏材料。论文对多壁碳纳米管的掺杂处理及其对甲醛和二甲苯这两种有机挥发物的气敏特性进行了初步的研究。室温下,碳纳米管被认为是p型掺杂的半导体,基于多壁碳纳米管的传感器气敏膜吸附了还原性的有机气体分子后,碳管表面的空穴载流子会减少,从而导致气敏膜的导电性能减弱。在恒定的电压下,通过检测传感器的电流的变化对其电导的变化量进行衡量。传感器电导的变化与所吸附的待测气体的浓度成一定的比例关系,气体浓度越大,电流降幅也随之增大。室温下,多壁碳纳米管对甲醛和二甲苯两种气体显示出良好的灵敏度和选择性,且响应非常稳定。在此基础上,对多壁碳纳米管进行了超声掺杂阳离子,化学还原掺杂Pd,电化学还原掺杂Pd,以及直接用缩合剂在多壁碳纳米管表面修饰十二胺等处理,并测试了掺杂前后多壁碳纳米管对甲醛和二甲苯的气敏响应的变化。不同方法改性后的多壁碳管对于两种待测气体的灵敏度和选择性均有一定变化。掺杂的金属粒子的大小和均匀程度对传感器的响应影响较大。化学还原镀钯处理后传感器的气敏性能提升最为明显,且对两种气体的选择性增强。为了进一步提高传感器的选择性,对多壁碳纳米管进行了多重掺杂的处理。对化学还原镀钯后的多壁碳纳米管继续进行电化学镀钯处理,并测试碳管的气敏性能；将十二胺修饰的多壁碳纳米管涂布于定向碳纳米管阵列表面,作为具有立体结构的复合气敏材料。这两种方法制备的碳纳米管复合气敏材料对待测气体均显示出良好的选择性,证明多重掺杂是非常有潜力的一种提升多壁碳纳米管选择性气敏响应的制备方法。掺杂不同的纳米颗粒后,多壁碳纳米管表面与吸附的气体分子之间的电荷转移会因为纳米颗粒的催化作用而发生改变。化学还原镀钯后,Pd粒子可以强化二甲苯分子与碳管之间的电荷交换,从而大幅度的提升碳管对其的气敏响应；修饰了十二胺的多壁碳纳米管则由于长烃链的空间阻隔作用,对二甲苯的气敏响应不显著,而对小分子的甲醛显示出较高的灵敏度和选择性。论文对基于多壁碳纳米管的气体传感器掺杂前后灵敏度和选择性的改变进行了初步的理论分析和计算。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 碳纳米管的简介
• 1.1 碳纳米管的结构与分类
• 1.2 碳纳米管的制备
• 1.3 碳纳米管的特性
• 1.4 碳纳米管的吸附性能的应用
• 1.5 碳纳米管的化学改性
• 第二章 室内污染气体及检测
• 2.1 室内污染气体简介
• 2.2 空气中甲醛和苯类检测技术进展
• 2.3 气体传感器的简介及分类
• 2.4 气敏材料的研究进展
• 2.5 小结
• 第三章 论文研究方案及准备
• 3.1 研究思路
• 3.2 研究方案
• 3.3 实验前期工作
• 第四章 多壁碳纳米管的气敏性能检测
• 4.1 引言
• 4.2 试样制备
• 4.3 表征方法
• 4.4 气敏性能检测
• 4.5 结果与讨论
• 4.6 小结
• 第五章 镀钯后的多壁碳纳米管的气敏性能检测
• 5.1 引言
• 5.2 化学还原镀钯
• 5.2.1 试样制备
• 5.2.2 表征方法
• 5.2.3 气敏性能检测
• 5.2.4 结果与讨论
• 5.3 电化学镀钯
• 5.3.1 试样制备
• 5.3.2 表征方法
• 5.3.3 气敏性能检测
• 5.3.4 结果与讨论
• 5.4 复合镀钯
• 5.4.1 试样制备
• 5.4.2 表征方法
• 5.4.3 气敏性能检测
• 5.4.4 结果与讨论
• 5.5 小结
• 第六章 金属阳离子掺杂后的多壁碳纳米管的气敏性能检测
• 6.1 引言
• +和Li⁺的掺杂'>6.2 K⁺和Li⁺的掺杂
• 6.2.1 试样制备
• 6.2.2 表征方法
• 6.2.3 气敏性能检测
• 6.2.4 结果与讨论
• 2+的掺杂'>6.3 Cu²⁺的掺杂
• 6.3.1 试样制备
• 6.3.2 表征方法
• 6.3.3 气敏性能检测
• 6.3.4 结果与讨论
• 2+的掺杂'>6.4 Pd²⁺的掺杂
• 6.4.1 试样制备
• 6.4.2 表征方法
• 6.4.3 气敏性能检测
• 6.4.4 结果与讨论
• 6.5 小结
• 第七章 定向多壁碳纳米管的气敏性能检测
• 7.1 引言
• 7.2 定向多壁碳纳米管阵列
• 7.2.1 试样制备
• 7.2.2 表征方法
• 7.2.3 气敏性能检测
• 7.2.4 结果与讨论
• 7.3 十二胺修饰定向碳纳米管阵列
• 7.3.1 试样制备
• 7.3.2 气敏性能检测
• 7.3.3 结果与讨论
• 7.4 小结
• 第八章 多壁碳纳米管掺杂前后的气敏响应机理研究
• 8.1 多壁碳纳米管的气敏特性
• 8.1.1 多壁碳纳米管的孔隙结构
• 8.1.2 多壁碳纳米管膜的电阻
• 8.1.3 气体在多壁碳纳米管上的吸附方式
• 8.1.4 电流时间曲线的讨论
• 8.1.5 响应时间与回复时间的讨论
• 8.2 掺杂对多壁碳纳米管的气敏性能的影响
• 8.2.1 酸化与金属阳离子吸附
• 8.2.2 金属粒子的掺杂及电子传导模型
• 8.2.3 掺杂后灵敏度和选择性的变化
• 第九章 创新与不足
• 参考文献
• 博士期间参加的项目与成果
• 致谢