第22卷第5期2010年5月化学研究与应用Che m ica l R esearch and Appli ca tion V o.l 22,N o .5
M ay ,2010
文章编号:1004 1656(2010)05 0625 04
碳 离子液体凝胶气敏材料响应性能的研究
李 艳,孙 洁,陈 婷,汪佳俐,冯依玲,邓卫芹,曹晓卫,王 荣
*
(上海师范大学化学系,上海 200234)
收稿日期:2009 10 14;修回日期:2009 12 26
基金项目:国家自然科学基金项目(20503016)资助;上海市科委启明星基金项目(07QA14044)资助;湖南大学生物传感与计量学国家重点实验室开放基金资助项目
联系人简介:王荣(1972 ),男,副教授,主要研究方向电化学与化学传感器。Ema i :l w angrong @shnu edu cn
关键词:碳 离子液体凝胶;有机蒸汽;气敏材料;主元分析;气体传感器中图分类号:O657 1 文献标识码:A
Carbon black ionic li qui d gel for gas sensi ng
LI Yan ,SUN Jie ,C H E NG T i n g ,WANG Jia l,i FENG Y i li n g ,DE NG W e i q i n g ,C AO X iao w e,i WANG Rong
*
(D epart m ent o f Che m i stry ,Shangha iN or m a lU n i versity ,Shangha i 200234,Ch i na)
Ab stract :T he carbon b l ack/i on i c li qui d gels w ere used as the sensing ma teria l s i n the gas senso r and senso r array for o rganic vapor de tecti on R esults suggested t hat t h i s gas sensi ng m ater i a l showed a good li near response to w ards t he concentra ti on o f dich l o rome t hane ,te trahydrofuran ,et hy l cyanide ,e t hano ,l acetone vapors w i th quite different sensiti v ity T hese organ i c vapo rs w ere then successf u lly disti ngu i shed by the sensor array based on t he ca rbon b l ack /Bm i m PF 6、Em i m ET S O 4、Em i m CF 3SO 3ge ls and the pri nc i pal e le m ent data analysis m et hods
K ey w ords :carbon black /i onic liqu i ds ge;l org an i c vapo r ;gas sensi ng ma teria;l pri nc i pal e le m ent ana l ysis ;gas sensor
随着我国国民经济的快速发展和国家安全的
需要,及时、准确地对易燃、易爆、有毒、有害气体进行检测、预报和自动控制,是煤炭、石油、化工、电力、国家安全部门等急待解决的重要课题。同时在质量检测,生产监控特别是食品、化妆品、饮料和其他化学品中都要求能够开发出性能优良、
方便耐用、小型多功能的新型气体传感器[1]
。其中气敏材料是传感器的核心,它决定传感器的选择性、灵敏度、线性度、稳定性等。因此,新功能敏感材料的开发及优化一直是传感器研究的热点。
近年来,碳粉/聚合物导电复合材料作为一种气敏响应材料被广泛应用于气体传感器和 电子
鼻中 [2],例如Do le m an 等[3]
使用导电碳粉分别与14种聚合物制备的复合材料所构成的传感器阵列,这一传感器阵列可用来检测19种常见有机溶
剂或蒸气。K i m 等[4]
构建了便携式的微型电子鼻系统,包含有16种碳粉聚合物的传感器单元,可以很好的鉴别常见的有机物以及混合酒类样品。
此外,日本的Tsuboka wa 研究小组[2]
在导电碳粉表面对化学接枝处理进行了大量的研究,以提高气敏材料的响应特性。碳粉/聚合物导电复合材料吸收了气体后,体积膨胀,电阻随之增加,从而
对大多数有机气体都有广泛的响应[5]
。然而由于聚合物没有固定的分子结构,且碳粉在聚合物中是很难均匀分散的,使得碳粉/聚合物材料的气敏特性受材料制作工艺的影响较大。
室温离子液体是指在室温或室温附近温度下呈液态由离子所构成的物质,由于具有可忽略的蒸气压,高的热稳定性等独特的物理化学性质,作为一种新型的气体敏感材料,具有潜在的应用价
化学研究与应用第22卷
值。近年来,已有文献报道利用室温离子液体的对不同物质的不同相容性以实现分离有机或无机的混合物、吸收混合气体中的二氧化碳、及作为气敏材料用于石英微天平气体传感器。此外,通过调节不同的阴阳离子获得功能化的室温离子液体,增加离子液体的选择性,满足特定的需求。本研究小组曾以室温离子液体为电导型气体传感器敏感材料元件,实现了对不同浓度的乙醇、二氯甲烷等有机蒸气的检测[6]。
离子液体与碳粉混合凝胶因其稳定性高、导电性能强等优点广泛应用于多种领域,Zhao等[7,8]将该种凝胶修饰于电极表面,实现了对多巴胺、抗坏血酸的催化、分离,同时此类修饰电极也实现了多巴胺、抗坏血酸、尿酸的同时检测,有望用于活体分析;A Le w andow sk i等[9]将碳粉与5种离子液体混合应用于双电层电容器中从而获得更高的电容和电化学窗口。本文试用离子液体替代聚合物和碳粉混合作为气体传感器的敏感材料,制备碳/离子液体凝胶气体传感器,并考察了这种传感器对多种有机蒸气的气敏响应。
1 实验部分
1 1 实验仪器和试剂
离子液体:1 丁基 3 甲基六氟磷酸盐(B m i m PF6)制备和纯化参照文献[10],1 乙基 3 甲基咪唑硫酸乙酯盐(Em i m ETSO4)(分析纯,杭州科默化学有限公司),1 乙基 3 甲基咪唑三氟甲基磺酸盐(E m i m CF3SO3)(分析纯,杭州科默化学有限公司),碳粉(平均粒径2~12 m,S i g m a A ldrich公司),有机溶剂:四氢呋喃、二氯甲烷、乙氰、乙醇、丙酮(AR级,上海化学试剂有限公司),高纯氮气(上海成功气体有限公司),真空干燥箱(上海华连医疗器械有限公司),8通道电池分析仪(深圳市新威尔电子有限公司)。
1 2 碳粉 离子液体凝胶复合材料的制备
将碳粉与一定量的离子液体超声混和,制备碳粉/离子液体凝胶复合材料。实验发现当碳粉质量分数约为44%时开始形成凝胶,而当碳粉质量分数大于62%时,混合物成粉末状,不利于气敏响应。因此,实验选取质量百分比约为50%的凝胶作为传感器的气敏材料。具体步骤为:先称取一定量碳粉于离心管中,再加入适量离子液体在离心管中与碳粉混合,超声半小时,待离子液体与碳粉完全混合均匀,即可得黑色碳/离子液体凝胶。将所制得的碳/离子液体凝胶均匀涂抹于基底电极对之间制得气敏传感器,并放入真空箱中真空干燥2h以上,以去除制备过程中可能吸附的水等挥发性气体。
1 3 气敏材料的测试设备与过程
实验中所用基底电极由镀金印刷线路板所制,电极宽为0 3c m,涂敷有效面积分别为3mm!
0 7mm,电极间距有为0 1c m。涂敷后的电极被封装于不锈钢检测气室中(内体积为1 5c m!9c m!
2 2c m)。气敏特性的测定采用动态测试法,由载气钢瓶 质量流量计 进样系统 检测系统组成。以氮气为载气,用质量流量计来控制载气流速为50mL/m i n。进样系统参照气相色谱进样装置,它包括样品引入装置和气化室,气化室温度控制在200?。由于碳/离子液体凝胶气敏材料的气敏响应特性受温度影响,故检测气室被置于自制的恒温箱中,并控制温度为30#0 5?。实验使用8通道电池分析仪在0 1V恒定电压条件下,同时测定一个或多个气体传感器的电流响应。测定前先通入氮气10~15m i n,对整个测定系统进行清洗,待基线稳定后加入测试样品,以获取响应电流 时间曲线,并待洗涤至基值,以进行下一循环测试。实验定义碳/离子液体凝胶材料吸收气体后的电流变化率(S)作为气敏材料的响应信号即:S=(I。-I)/I。其中I。和I分别为气敏元件在氮气条件中的稳定电流值和加入待测组分后的峰电流值。
2 结果与讨论
2 1 碳 离子液体凝胶的响应特性
图1为碳 离子液体凝胶气体传感器对乙醇蒸气的特征响应信号。由图中可以看出,当加入乙醇后,传感器的响应电流显著减小,这可能是由于当碳粉 离子液体凝胶吸附乙醇蒸气后,其体积发生膨胀,掺杂在其中起导电作用的碳粉之间的平均距离也随之增加,导致碳 离子液体凝胶气敏材料的电阻值增加,电流值减小,并迅速达到最小峰电流,达到峰电流所需的时间约为30s。随着载气的不断通入,传感器的响应电流上升,并逐渐恢复到氮气气氛下的电流响应值,气敏测试的周期约为200s。响应电流峰的左半峰宽约为12 5s,小于右半峰宽的17 2s,说明碳 离子液体凝胶气敏材料对乙醇的吸附速度大于其脱附速度。
626
第5期李艳等:碳
离子液体凝胶气敏材料响应性能的研究图1 碳粉/E m i m CF 3SO 3凝胶对乙醇蒸气的特征响应信号
F i g 1 The responses of carbon /Em i m CF 3SO 3
ge l under ethano l a t m osphere
图2 碳粉/Em i m CF 3S O 3凝胶中5种
浓度的有机蒸气的线性图
F i g 2 The line response of carbon /Em i m CF 3SO 3gel i n different concentration o f fi v e d ifferent org an i c a t m osphere
图1中三次相同乙醇加入量的气敏响应值S
分别为0 375、0 378和0 371,由此看出该气体传感器响应信号具有良好的重现性,同时传感器在常温条件下保存三个月后,它的响应信号基本没有明显变化,说明该传感器具有较高的使用和保存寿命,这显然得益于离子液体的高化学稳定性和热稳定性。
图2给出了碳粉/Em i m CF 3SO 3离子液体凝胶传感器对加入2uL 、4uL 、6uL 、8uL 、10uL 乙醇、二氯甲烷、四氢呋喃、丙酮和乙氰后所得到的气敏响应值与有机溶剂加入量的关系图。其良好的线性关系说明该传感器可用于这些有机蒸气的定量分析。2 2 碳 离子液体凝胶传感器阵列对有机蒸气的识别
由图2也可以看出碳/E m i m CF 3SO 3凝胶传感器对不同的有机蒸气具有不同的响应灵敏度,这
依赖于离子液体与有机蒸气的相互作用[2]
。通过
选择不同的阴阳离子,可以改变离子液体的结构,调节离子液体与有机蒸气相互作用的能力,进而改变气体传感器对不同有机蒸气的响应灵敏度。为此,分别使用B m i m PF 6、Em i m ETSO 4和Em i m CF 3SO 3三种离子液体与碳混合制成了传感器阵列,考察了5种不同有机蒸气在各传感器单元上的气敏响应值,结果如图3所示。由图中可以看出,各传感器单元对各种有机蒸汽的气敏响应值各不相同,其中Em i m CF 3SO 3对乙醇的响应值较大,B m i m PF 6对丙酮的响应值较大,而E m i m ETSO 4则对两者的响应值基本相同,此外,三个传感器单元对二氯甲烷的响应值均最小。这可能是由于不同离子液体对有机蒸气的相容性各不相同,使凝胶的溶胀程度和介电常数的改变值不同,从而导致传感器阵列各气敏单元对不同的有机蒸气有不同
的响应灵敏度。
图3 五种不同有机蒸气对不同碳粉离子液体凝胶的气敏响应值比较图
F i g 3 T he response of d ifferent carbon /i onic liqu i d g el
under fi ve d ifferent organ i c so lvent at m osphere
图4 气敏响应性主元分析结果F i g 4 G as sensing response of princ i pa l
co m ponent ana l ysis resu lts
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化学研究与应用第22卷碳 离子液体凝胶气敏传感器对这五种物质
有着不同的相对响应灵敏度,这正是阵列传感器对不同目标分析物实行模式识别的基础,从而可以被用于定性地鉴别有机蒸气的物种。我们使用M aster化学计量学软件,利用主元分析法选取全部三种碳 离子液体凝胶气体传感器以及其中任意两种气体传感器上的响应信号进行了分析。结果显示四种分析步骤均能对这五种有机蒸汽加以区分识别。其中,选取全部三种碳/离子液体气体传感器数据所得的分析结果,其项内离散度最小,项间分离度最大,识别效果最佳,如图4所示。3 结论
碳 离子液体凝胶被成功地用做了气体传感器中的气敏材料,它对于多种有机蒸气均表现出了良好的线性响应。利用包含3种碳 离子液体凝胶传感器的传感器阵列对有机蒸气的不同响应灵敏度,结合主元分析法,实现了对乙醇、二氯甲烷、四氢呋喃、丙酮和乙氰5种有机蒸气的定性识别。
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(责任编辑 李 方)
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石墨烯气敏性能的研究进展 张焕林１，李芳芳２，刘柯钊１ （１ 表面物理与化学重点实验室，绵阳６２１９０７；２ 中国工程物理研究院，绵阳６２１９００ ）摘要 石墨烯因具有高的电子迁移率和超大的比表面积而有望成为新一代的气敏材料，近年来有关石墨烯气体传感器的研究工作逐年增加。概述了石墨烯的结构和特性；介绍了典型石墨烯气体传感器的工作原理；综述了本征和功能化石墨烯的多种气体气敏特性在理论和实验上的研究现状。 关键词 石墨烯 本征石墨烯 改性石墨烯 气敏特性 Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｇａｓ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ＧｒａｐｈｅｎｅＺＨＡＮＧ Ｈｕａｎｌｉｎ１，ＬＩ Ｆａｎｇｆａｎｇ２， ＬＩＵ Ｋｅｚｈａｏ１ （１ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｎ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｍｉａｎｙａｎｇ ６２１９０７；２ Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｍｉａｎｙａｎｇ ６２１９００）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｏｗｉｎｇ ｔｏ ｉｔｓ ｅｘｃｅｐｔｉｏｎａｌｌｙ ｈｉｇｈ ｃａｒｒｉｅｒ ｍｏｂｉｌｉｔｉｅｓ ａｎｄ ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ ｌａｒｇｅ ｓｕｒｆａｃｅ－ｔｏ－ｖｏｌｕｍｅ ｒａｔｉｏ，ｇｒａ－ｐｈｅｎｅ ｉｓ ｔｈｏｕｇｈｔ ｔｏ ｂｅ ａ ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ ｇａｓ ｓｅｎｓｉｎｇ．Ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｒｅｐｏｒｔｅｄ ａｒｔｉｃｌｅｓａｂｏｕｔ ｇａｓ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｇｒａｐｈｅｎｅ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｇｒａｐｈｅｎｅ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｐｒｉｎｃｉ－ｐｌｅ ｏｆ ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｇｒａｐｈｅｎｅ ｉｓ ａｌｓｏ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｗｅ ｍａｉｎｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｒｅｃｅｎｔ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔａｔｕｓ ｏｎ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｐｒｉｓｔｉｎｅ ａｎｄ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｇｒａｐｈｅｎｅ ｔｏ ｖａｒｉｏｕｓ ｇａｓｅｓ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｇｒａｐｈｅｎｅ，ｐｒｉｓｔｉｎｅ ｇｒａｐｈｅｎｅ，ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｇｒａｐｈｅｎｅ，ｇａｓ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ 张焕林：女，硕士研究生，从事碳材料的功能化研究 Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇ ｈｌ０６＠１２６．ｃｏｍ０ 引言 石墨烯是除了石墨、金刚石、富勒烯和碳纳米管之外碳元素的又一种同素异形体。它是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状结构， 是构成其他维数材料的基本结构单元，它可以包裹成零维的富勒烯，卷曲成一维的碳纳米管或者堆 垛成三维的石墨［１］ 。２００４年英国曼彻斯特大学的物理学教授Ｇｅｉｍ的研究组［２］ 用高度定向的热解石墨（ＨＯＰＧ） 首次获得了独立存在的高质量的石墨烯， 并对其电学性能进行了系统表征。研究发现石墨烯存在双极性电场效应，具有极大的载流子浓度、超高的载流子迁移率和亚微米尺度的弹性输运等特性。这些优异的性能引起了物理学、 材料学、化学等科研领域的广泛关注，掀起了继富勒烯和碳纳米管后的又一次碳材料研究热潮。石墨烯的发现者Ｇｅｉｍ教授和Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ 博士也因此被授予２０１０年度诺贝尔物理学奖。 ２００７年Ｓｃｈｅｄｉｎ等［３］ 首先发现， 用石墨烯制备的传感器可以检测到单个分子在石墨烯表面的吸附和解吸附行为，这 引起了科学界的极大关注。研究者们随后研究了微机械剥离、化学剥离和化学气相沉积等方法制备的石墨烯的气敏特性，发现本征石墨烯只对ＮＯ２、ＮＨ３等少数气体有较高的灵敏度。于是理论研究者纷纷开始了本征、掺杂和缺陷石墨烯与气体吸附作用机制的研究，发现具有一定缺陷或掺杂的石墨烯对特定的气体有较强的吸附。在理论研究的指导下，最近研究者对石墨烯进行了有目的地掺杂和功能化研究以提 高石墨烯对特定气体的选择性和灵敏度。本文着重介绍本征石墨烯的气敏特性、对气体分子的吸附作用，以及功能化石墨烯对氢气的响应特性。 １ 石墨烯的结构和特性 石墨烯是由ｓｐ２ 杂化的碳原子紧密排列构成的二维六角 结构的单层石墨，每个碳原子通过σ键与相邻的３个碳原子连接，这些强Ｃ－Ｃ键的网状结构使石墨烯片层具有优异的结构刚性。每个碳原子都有１个未成键的电子， 这些电子在与原子平面垂直的方向上形成的离域π轨道上自由运动，赋予 石墨烯良好的导电性［４］。石墨烯ｓｐ２ 杂化的碳碳键的长度为０．１４２ｎｍ［５］，单原子层的理论厚度为０．３４ｎｍ［６］ 。图１为石墨 烯的能带结构和布里渊区图［７］ ，价带和导带在费米能级的６ 个顶点上相交，由此表明石墨烯是一种零带隙的物质，具有 金属性。石墨烯中电子的典型传导速率为８×１０５ ｍ·ｓ －１，接近光在真空中传播速度的１／４００ ，比一般半导体的电子传导速率大得多［８］ 。除此之外，当石墨烯被裁剪为宽度小于 １０ｎｍ的纳米条带时会产生一定的带隙， 这种半导体石墨烯在晶体管中有较大的潜在应用价值［ ９］ 。目前已证实的石墨烯的优异的物理性质包括：室温下高 的电子迁移率（１５０００ｃｍ２·Ｖ－１·ｓ－１）［２，１０］ ；优异的热导率（约５０００Ｗ·ｍ－１·Ｋ－１）［１１］ ，是Ｃｕ热导率的１０倍多；超高的力学性能，破坏强度为４２Ｎ／ｍ，杨氏模量为１．０ＴＰａ［１ ２］ ；超大的比表面积，理论值为２６３０ｍ ２·ｇ－１［１３］；几乎完全透明，光透· ９３·石墨烯气敏性能的研究进展／张焕林等
SnO2材料气敏性能研究进展 1.气体传感器的定义与研究意义 气体传感器是传感器领域的一个重要分支，是一种将气体的成分、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等使用的信息的装置。它主要用来检测气体的种类和浓度，对接触气体产生响应并转化成电信号从而达到对气体进行定量或半定量检测报警的目的。气体传感器现已在人类的生产生活中得到了广泛的应用，在民用方面，主要是检测天然气、煤气的泄露，二氧化碳气体含量、烟雾杂质和某些难闻的气味及火灾发生等；在工业方面，主要是检测硫化物、氮氧化物、CH4、CO、CO2及Cl2等有毒或有害的气体，检测有机溶剂和磷烷、砷烷等剧毒气体，检测电力变压器油变质而产生的氢气，检测食品的新鲜度，检测空燃比或废气中的氧气的含量以及检测驾驶员呼气中酒精含量等；在农业生产上，主要是检测温度和湿度、CO2，土壤干燥度、土壤养分和光照度。因此，气敏传感器的研究具有非常重要的意义。 2.气体传感器的分类 按基体材料的不同，气敏传感器还可分为固体电解质气体传感器、有机高分子半导体传感器，金属氧化物半导体气体传感器；按被检测的气体不同，气敏传感器可分为酒敏器件、氢敏器件、氧敏器件等。固体电解质气体传感器使用固体电解质做气敏材料，主要是通过测量气敏材料通过气体时形成的电动势而测量气体浓度。这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，得到了广泛的应用。高分子气敏传感器通过测量气敏材料吸收气体后的电阻、电动势、声波在材料表面传播速度或频率以及重量的变化来测量气体浓度。高分子气体传感器具有许多的优点，如对特定气体分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以补充其它气体传感器的不足。金属氧化物半导体气体传感器是一类研究时间较长、应用前景较好的传感器，它主要根据材料表面接触气体后电阻发生变化的原理来检测气体。因为金属氧化物半导体中多数载流子的不同而分为P型和N型。N 型半导体材料中，主要是晶格内部存在氧离子的缺位或阳离子的填隙，此类材料主要包括SnO、ZnO、In2O3、a-Fe2O3、WO3、ZnFe2O4、CdO和TiO2等。在P
碳纤维材料的性能及应用 摘要：介绍了碳纤维及其增强复合材料，详细介绍了碳纤维复合材料的分类和特性,着重阐述了碳纤维及其复合材料在高新技术领域和能源、体育器材等民 用领域的应用，并对未来碳纤维复合材料的发展趋势进行了分析。 关键词：碳纤维性能应用 0引言 碳纤维复合材料具有轻质、高强度、高刚度、优良的减振性、耐疲劳和耐腐蚀等优异性能。以高性能碳纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化材料，不仅在国防战略武器建设中具有不可替代性，在绿色能源建设、节约能源技术发展和促进能源多样化过程中也将发挥极其重要的作用。若将先进碳纤维复合材料在国防领域的应用水平和规模视作国家安全的重要保证，则碳纤维复合材料在交通运输、风力发电、石油开采、电力输送等领域的应用将与有效减少温室气体排放、解决全球气候变暖等环境问题密切相关。随着对碳纤维复合材料认识的不断深化，以及制造技术水平的不断提升，碳纤维复合材料在相关领域的应用研究与装备不断取得进展，借鉴国际先进的碳纤维复合材料应用经验，牵引高性能碳纤维及其复合材料的国产化步伐，对于改变经济结构、节能减排具有重要的战略意义。 1碳纤维材料 1.1何为碳纤维材料 碳纤维是一种含碳量在9 2% 以上的新型高性能纤维材料, 具有重量轻、高强度、高模量、耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、导电、导热和远红外辐射等多种优异性能, 不仅是21 世纪新材料领域的高科技产品, 更是国家重要的战略性基础材料, 政治、经济和军事意义十分重大。碳纤维分为聚丙烯睛基、沥青基和粘胶基 3种, 其中90 % 为聚丙烯睛基碳纤维。聚丙烯睛基碳纤维的生产过程主要包括原丝生产和原丝碳化两部分。用碳纤维与树脂、金属、陶瓷、玻璃等基体制成的复合材料, 广泛应用于航空航天领域体育休闲领域以及汽车制造、新型建材、
第22卷第5期2010年5月化学研究与应用Che m ica l R esearch and Appli ca tion V o.l 22,N o .5 M ay ,2010 文章编号:1004 1656(2010)05 0625 04 碳 离子液体凝胶气敏材料响应性能的研究 李 艳,孙 洁,陈 婷,汪佳俐,冯依玲,邓卫芹,曹晓卫,王 荣 * (上海师范大学化学系,上海 200234) 收稿日期:2009 10 14;修回日期:2009 12 26 基金项目:国家自然科学基金项目(20503016)资助;上海市科委启明星基金项目(07QA14044)资助;湖南大学生物传感与计量学国家重点实验室开放基金资助项目 联系人简介:王荣(1972 ),男,副教授,主要研究方向电化学与化学传感器。Ema i :l w angrong @shnu edu cn 关键词:碳 离子液体凝胶;有机蒸汽;气敏材料;主元分析;气体传感器中图分类号:O657 1 文献标识码:A Carbon black ionic li qui d gel for gas sensi ng LI Yan ,SUN Jie ,C H E NG T i n g ,WANG Jia l,i FENG Y i li n g ,DE NG W e i q i n g ,C AO X iao w e,i WANG Rong * (D epart m ent o f Che m i stry ,Shangha iN or m a lU n i versity ,Shangha i 200234,Ch i na) Ab stract :T he carbon b l ack/i on i c li qui d gels w ere used as the sensing ma teria l s i n the gas senso r and senso r array for o rganic vapor de tecti on R esults suggested t hat t h i s gas sensi ng m ater i a l showed a good li near response to w ards t he concentra ti on o f dich l o rome t hane ,te trahydrofuran ,et hy l cyanide ,e t hano ,l acetone vapors w i th quite different sensiti v ity T hese organ i c vapo rs w ere then successf u lly disti ngu i shed by the sensor array based on t he ca rbon b l ack /Bm i m PF 6、Em i m ET S O 4、Em i m CF 3SO 3ge ls and the pri nc i pal e le m ent data analysis m et hods K ey w ords :carbon black /i onic liqu i ds ge;l org an i c vapo r ;gas sensi ng ma teria;l pri nc i pal e le m ent ana l ysis ;gas sensor 随着我国国民经济的快速发展和国家安全的 需要,及时、准确地对易燃、易爆、有毒、有害气体进行检测、预报和自动控制,是煤炭、石油、化工、电力、国家安全部门等急待解决的重要课题。同时在质量检测,生产监控特别是食品、化妆品、饮料和其他化学品中都要求能够开发出性能优良、 方便耐用、小型多功能的新型气体传感器[1] 。其中气敏材料是传感器的核心,它决定传感器的选择性、灵敏度、线性度、稳定性等。因此,新功能敏感材料的开发及优化一直是传感器研究的热点。 近年来,碳粉/聚合物导电复合材料作为一种气敏响应材料被广泛应用于气体传感器和 电子 鼻中 [2],例如Do le m an 等[3] 使用导电碳粉分别与14种聚合物制备的复合材料所构成的传感器阵列,这一传感器阵列可用来检测19种常见有机溶 剂或蒸气。K i m 等[4] 构建了便携式的微型电子鼻系统,包含有16种碳粉聚合物的传感器单元,可以很好的鉴别常见的有机物以及混合酒类样品。 此外,日本的Tsuboka wa 研究小组[2] 在导电碳粉表面对化学接枝处理进行了大量的研究,以提高气敏材料的响应特性。碳粉/聚合物导电复合材料吸收了气体后,体积膨胀,电阻随之增加,从而 对大多数有机气体都有广泛的响应[5] 。然而由于聚合物没有固定的分子结构,且碳粉在聚合物中是很难均匀分散的,使得碳粉/聚合物材料的气敏特性受材料制作工艺的影响较大。 室温离子液体是指在室温或室温附近温度下呈液态由离子所构成的物质,由于具有可忽略的蒸气压,高的热稳定性等独特的物理化学性质,作为一种新型的气体敏感材料,具有潜在的应用价
气敏材料 气敏材料指的是当某一种材料吸附某种气体后，该材料的电阻率发生变化的一种功能材料。它是用二氧化锡等材料经压制烧结而成的，对许多气体反映十分灵敏，可应用于气敏检漏仪等装置进行自动报警。在生活中，它的应用越来越多，可保障人们的生命财产。 在地球的表层，埋藏着大量的煤炭资源，勤劳勇敢的煤矿工人夜以继日地在井下作业，地下的“乌金”被源源不断地送往电厂、钢厂及千家万户，给人类送来光明和温暖。但是，在煤矿的矿井中有一种危害矿工生命的气体——瓦斯。它不仅会令人窒息，而且一旦爆炸，后果不堪设想。在寒冷的冬天，居民用煤炭取暖，稍不注意会造成煤气中毒。在许多城市中做饭烧水都用上了煤气，这种煤气主要是由一氧化碳和氢气组成的，煤气给人们的生活带来了方便，但是这种有毒、易燃、易爆气体一旦泄漏也会造成巨大的危害。如果能对这些有害气体早发现、早预报该多好啊！为此，科技工作者研制出了专门预报这些有毒、易燃、易爆气体的“电鼻子”。这种“电鼻子”学名叫气敏检漏仪。它的“鼻子”是一块“气敏陶瓷”，亦称气敏半导体。这种气敏陶瓷是用二氧化锡等材料经压制烧结而成的。它的表面和内部吸附着氧分子，当遇到易燃易爆的还原性气体时，这些气体就会与其吸附的氧结合，从而引起陶瓷电阻的变化。在这种情况下，气敏检漏仪就会自动报警。这种“电鼻子”对许多气体反映十分灵敏，如对百万分之一浓度的氢气即能显示。 有了这种“电鼻子”，矿井、工厂和家庭再也不会为这些还原性有害气体而提心吊胆了。因为只要空气中还原性气体超标，指示灯就会闪亮，报警器就会鸣响，人们就可以采取通风、检漏、堵漏等措施。这样，就会化险为夷，生命财产得到了保障。 产品由来编辑 人们在研制试验各种陶瓷时，发现半导体陶瓷作为气敏材料的灵敏度非常高。如薄膜状氧化锌气敏材料可检测氢气、氧气、乙烯和丙烯气体；以铂作催化剂时可检测乙烷和丙烷等烷烃类可燃性气体；氧化锡气敏材料可检测甲烷、乙烷等可燃性气体。氧化铱系材料是测氧分压最常用的敏感材料。此外，氧化铁、氧化钨、氧化铝、氧化铝等氧化物都有一定的气敏特性。它们通过有选择地吸附气体，使半导体的表面能态发生改变，从而引起电导率的变化，以此确定某种未知气体及其浓度。目前探测诸如一氧化碳、酒精、煤气、苯、丙烷、氢、二氧化硫等气体的气敏陶瓷已经获得了成功。 半导体陶瓷气敏材料在工业上有着极为广阔的应用前景。如对煤矿开采中的瓦斯进行控制与检测，对煤气输送和化工生产中管道气体泄漏进行监测等。 气敏陶瓷通常分为半导体式和固体电解质式两大类。 1)按制造方法又分为烧结型、厚膜型和薄膜型。 2)按材料成分分为金属氧化物系列(ZnO、材料成分分为金属氧化物系列（SnO2、ZnO和 复合氧化物系列(通式为A BO F e2O3、ZrO2)和复合氧化物系列(通式为ABO3)。 半导体气敏陶瓷的导电机理主要有能级生成理论和接触粒界势垒理论。按能级生成理论，当Sn O2、Zn O等N型半导体陶瓷表面吸附还原性气体时，气体将电子给予半导体，并以正电荷与半导体相吸，而进入N型半导体内的电子又束缚少数载流子空穴，使空穴与电子的复合率降低，增大电子形成电流的能力，使陶瓷电阻值下降；当N型半导体陶瓷表面吸附氧化性气体时，气体将其空穴给予半导体，并以负离子形式与半导体相吸，而进入N型半导体内的空穴使半导体内的电子数减少，因而陶瓷电阻值增大。接触粒界势垒理论则依据多晶半导体能带模型，在多晶界面存在势垒，当界面存在氧化性气体时势垒增加，存在还原性气体时势垒降低,从而导致阻值变化。
第46卷第1期2018年1月 硅酸盐学报Vol. 46，No. 1 January，2018 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY https://www.doczj.com/doc/732936001.html, DOI：10.14062/j.issn.0454-5648.2018.01.10 Ru负载WO3纳米颗粒对NH3的气敏特性 曾艳，花中秋，田学民，李彦，王天赐，奉轲，邱志磊 (河北工业大学电子信息工程学院，天津市电子材料与器件重点实验室，天津 300401) 摘要：采用酸化法制备了片状WO3纳米颗粒，通过动态配气测试系统测试了WO3对低浓度氨气(质量分数为2×10?6~20×10?6)的气敏性能。结果表明：制备的WO3对氨气的气敏性能较弱。为提高WO3纳米颗粒对氨气的气敏响应能力，采用浸渍法在WO3纳米颗粒表面负载了Ru元素。研究显示：Ru修饰改性的WO3对氨气的气敏响应显著提高，Ru-WO3对NH3的气敏响应随Ru的负载量及传感器工作温度的升高表现为先增大后减小，其中1%Ru-WO3在350℃时对NH3的气敏响应最好，且能响应低至1×10?6的NH3，同时，Ru-WO3在氢气还原后对NH3的气敏响应也得到了显著提高。还探究了氨气的气敏响应机理，初步认为表面吸附氧是WO3及Ru-WO3对NH3气敏响应的起源。 关键词：三氧化钨；钌；氨气；气敏性能 中图分类号：TP212.2 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2018)01–0070–08 网络出版时间：2017–10–11 15:08:39 网络出版地址：https://www.doczj.com/doc/732936001.html,/kcms/detail/11.2310.TQ.20171011.1508.010.html Gas Sensing Properties of WO3 Nanoflakes Loaded with Ru for NH3 Detection ZENG Yan, HUA Zhongqiu, TIAN Xuemin, LI Yan, WANG Tianci, FENG Ke, QIU Zhilei (Tianjin Key Laboratory of Electronic Materials and Devices, School of Electronic and Information Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin, 300401, China) Abstract: WO3 nanoflakes were prepared via an acidification method, and the gas sensing properties of WO3 to low concentrations of ammonia gas (i.e., 2×10?6?20×10?6 in mass fraction) were investigated in a dynamic gas distribution system. The results indicate that the response properties of the prepared WO3 to NH3 are relatively low. In order to promote the response to NH3, ruthenium (Ru) was loaded on the surface of WO3 nanoflakes by an impregnation method. The response to NH3 is significantly improved due to the Ru modification, the gas sensing response of Ru-WO3 to NH3 firstly increases and then decreases with the increases of Ru loading amount and sensor operating temperature. The 1% Ru-WO3 has the maximum gas response to NH3 at 350oC and can respond to NH3 at a low concentration of 1×10?6. Simultaneously, the gas response of Ru-WO3 to NH3 after hydrogen reduction is also enhanced. In addition, the sensing mechanism of NH3 was also discussed. It is indicated that the origin of NH3 gas sensing response of WO3 and Ru-WO3 is the surface adsorption oxygen. Keywords: tungsten trioxide; ruthenium; ammonia gas; gas sensing properties 近年来，随着现代人体呼气分析技术的不断发展与进步，呼气分析式疾病诊断用氨气传感器受到了国内外研究人员的广泛关注[1?2]。氨气作为人体呼出气体的重要成分，是肝脏功能障碍、肾脏病、幽门螺杆菌感染及口腔等疾病的重要生理标志物，特别是肾脏病，其患者呼出气体中氨气浓度的质量分数可达10?6级别[1?2]。因此对NH3的呼气分析检测可实现对肾脏病的大规模快速筛查、早期预防和患者的日常自我诊断。目前对人体呼出气体NH3的检测分析常借助于气相色谱与质谱等技术，但其设备 收稿日期：2017–01–23。修订日期：2017–05–04。 基金项目：天津市自然科学基金(15JCYBJC52100)；国家自然科学基金(61501167)；河北省自然科学基金(F2016202214)项目。 第一作者：曾 艳(1991—)，女，硕士研究生。 通信作者：田学民(1967—)，男，博士，副教授。Received date:2017–01–23. Revised date: 2017–05–04. First author: ZENG Yan (1991–), female, Master candidate. E-mail: zengyan824803@https://www.doczj.com/doc/732936001.html, Correspondent author: TIAN Xuemin (1967–), male, Ph. D., Associate Professor. E–mail: txm07@https://www.doczj.com/doc/732936001.html,
基于Ag-LaFeO_3传感材料的改性及丙酮气敏性能研究 随着科技的进步,在工业生产中使用的化学物质越来越多,丙酮作为一种常用的有机溶剂,用途较为广泛,常用在纤维、塑料、油漆等行业中,人体吸入丙酮后,溶解在血液中,会麻醉中枢神经系统,并会造成肝肾受损,危害人体健康。医学研究表明,丙酮气体作为糖尿病的标识物,正常人呼出的丙酮含量低于0.8ppm, 而糖尿病人呼出的量高于1.8 ppm,采用一定的检测手段,通过对人体呼出气体中丙酮量的测定,可以用于1型糖尿病的无创诊断,所以对丙酮气体检测有重要的应用前景。虽然目前关于丙酮气敏传感材料有一些研究,但是在传感器件的灵敏度、工作温度、选择性等方面依然存在诸多问题。为了能够及时准确的检测丙酮气体的含量是否超标,本论文以Ag-LaFeO3为基体材料,采用分子印迹法改性分别制备了不同体系的分子印迹聚合物(MIPs)粉体,通过X射线衍射分析(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、红外光谱分析(FT-IR)对所制备的MIPs的成分、形貌以及结构进行了表征,将制备的MIPs制作成旁热式气敏传感器表征其气敏性能(包括灵敏度、选择性、最佳工作温度、响应恢复特性等),并且研究了不同的制备条件及改性方法对器件气敏特性的影响。 主要内容和结果如下：(1)以Ag-LaFeO3溶胶做交联剂的各元件中,丙烯酰胺(AM)和甲基丙烯酰胺(MAC)做功能单体合成的样品的气敏性能较差,N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)为功能单体,CH3COCH3为溶剂合成的样品,摩尔比为x=5： 100(x=模板分子：功能单体)的器件气敏性能较好,此器件在工作温度为200℃时,对2.5 ppm丙酮气体的灵敏度为14.7,响应恢复时间分别为80s和75 s； (2)SWCNTs改性MIPs的各元件中,以Ag-LaFeO3溶胶做交联剂,SWCNTs含量是1.00%的器件件气敏性能最优,此器件在工作温度120℃时,对2.5 ppm丙酮的灵敏度为18,且对丙酮有良好的选择性；(3)Graphene改性MIPs的各元件中,以 Ag-LaFeO3溶胶做交联剂,Graphene含量为0.4%的元件气敏性能最优,此器件在工作温度为110℃时,对2.5ppm丙酮的灵敏度为71.2,响应恢复时间分别为60s 和65s,且对丙酮有较好的选择性；(4) MIPs的气敏机理是：在印迹过程中,首先功能单体与模板分子通过氢键相互作用,接着交联剂与功能单体之间形成配位作用,最终脱去模板分子后在MIPs中形成了对丙酮具有特异识别性的的识别位点,而这些识别位点可以对丙酮进行选择性吸附,从而使材料的气敏性能得到提高。
深圳大学考试答题纸 (以论文、报告等形式考核专用) 二○～二○学年度第学期 课程编号课程名称主讲教师评分学号姓名专业年级 题目：
目录 摘要 (4) 1.ZnO的发展历史与基本性质 (5) ZnO的发展历史 (5) ZnO的基本性质 (5) ZnO的晶体结构 (5) ZnO的物理化学性质 (6) ZnO的其他性质 (7) 紫外受激发射特性 (7) 透明导体特性 (8) 气敏性 (8) 压敏特性 (8) P-N结特性 (9) 压电特性 (9) 2.ZnO的原料的获取与提纯 (10) 原料的获取 (10) 原料的提纯 (11) 直接法（美国法） (11) 间接法（法国法） (11) 化学湿法 (12) 3.ZnO的单晶的制备 (13) 水热法 (13) 化学气相输运法 (14) 4.ZnO的薄膜的制备 (16) 脉冲激光沉积法PLD (16) 金属有机物气相外延法MOCVD (17) 喷雾热解法 (17) 磁控溅射法 (18)
溶胶-凝胶法Sol-gel (19) 5.ZnO的应用与前景 (21) 的应用方向 (21) 短波长发光材料 (21) 氮化镓薄膜的缓冲层 (22) 集成光学 (22) 电声器件与声光器件 (22) 传感器和高效率器件 (22) ZnO的问题与挑战 (23) ZnO的前景 (24) 谢辞 (25) 参考文献 (26)
摘要 氧化锌(ZnO)是一种具有广泛用途的新型第三代II-VI族多功能半导体材料，拥有着许多诸如宽禁带，激子结合能大，高化学稳定性和耐高温性等等优良性质，制备出来的ZnO单晶和薄膜在发光器件，透明电极，压敏电阻等等领域有着诸多的应用，在未来有着光明的应用前景，引起了社会各界的广泛关注。 本论文着重介绍了氧化锌半导体材料的材料来源，晶体结构，物理化学性质，单晶与薄膜的制备，具体在各个领域应用与发展和目前制备薄膜以及应用于市场所遇到的难题。 关键词：氧化锌，材料来源，晶体结构，物理化学性质，单晶，薄膜，应用，难题。
144 气湿敏技术 计测技术!2010年第30 卷增刊 图5 Zn O 和Sn O 2能带结构及光生载流子的输运 SnO 2和ZnO 的禁带宽度分别为3 6~3 8e V 和3 2e V,由于ZnO 禁带宽度较窄,紫外光会优先将ZnO 价带中的电子激发到导带中去,产生光生电子空穴对。因为ZnO 的电子亲和能小于SnO 2,所以ZnO 导带中的电子向SnO 2导带漂移,提高SnO 2表面上的活性氧浓度,产生紫外光增感效果 [5] 。 3 结论 1)运用溶胶凝胶方法制备SnO 2 ZnO 复合薄膜。2)对薄膜进行了SE M 表征,分析其形貌特点。 3)采用紫外光激励方法实现复合薄膜近室温下工作。当ZnO,SnO 2的质量比为1?9时光照效果最佳,最 适工作温度约为35#,对乙醇气体有良好的选择性。 4)通过定性的模型,解释了紫外光增感机制。 参考文献 [1]Saura J .G as sensi ng properti es o f Sn O 2py ro lytic fil m s subjected to ultrav i o let rad iati on [J].Senso rs and A ctua tors B ,1994,17(3):211-214.[2]Co m i n i E ,F ag li a G,Sberveg li er i G.UV ligh t ac ti vation of tin ox i de th i n fil m s f o r NO 2sensi ng at low temperature [J].Sensors and A ctuators B ,2001,78(1-3):73-77.[3]Ca m agn i P ,Fag li a G,G a line tto P.Pho tosensiti v ity A cti va ti on o f Sn O 2T hin F il m G as Sensors at R oom T e m perature [J].Sen sors and A ctuators B,1996,31(1-2):99-103.[4]G ea C,X ie C ,H ub M,G ui Y H,e t a.l S tructural characteris ti cs and UV li ght enhanced gas sensitivity o f L a doped Zn O nan oparti c les [J].M ater i a ls Sc i ence and Eng i neering B ,2007,141(1-2):43-48.[5]Zakrze w ska K,R adecka M.T i O 2 SnO 2sy stem for gas sens i ng Photodegradation of org an i c con ta m i nants [J ].Th i n So lid F il m s ,2007,515(23):8332-8338. 聚吡咯复合纳米纤维气敏材料的响应特性 李扬,季善坐,杨慕杰 (浙江大学高分子系,浙江杭州 310027) 摘 要:采用静电纺丝法和气相聚合法制备了聚吡咯和聚偏氟乙烯复合纳米纤维气敏材料及气体传感器;研究对比了复合纳米纤维气敏材料与复合薄膜气敏材料对于400?10-6~3600?10-6氨气的室温响应特性。 关键词:聚吡咯;纳米复合纤维;气敏材料;气体传感器 中图分类号:TN304 文献标识码:A 文章编号:1674-5795(2010)S0-0144-02 作者简介:李扬,副教授,主要研究领域为导电高分子复合敏感材料。 0 引言 聚吡咯是一类典型的导电高分子化学传感材料,但其通常难溶难熔,加工困难,研究和应用受到限制。本文采用静电纺丝结合气相原位聚合法制备了聚吡咯复合纳米纤维气敏材料及气敏元件,解决了其加工问题,并研究了复合纳米纤维材料对氨气的响应特性。 1 聚吡咯复合纳米纤维的制备及表征 聚吡咯复合纳米纤维的制备分为两步,首先采用静 电纺丝法制得含有三氯化铁的聚偏氟乙烯(PVDF)纳 米纤维,并将其沉积在叉指金电极上。其次将覆盖有纤维的电极置于吡咯蒸汽中,在不同聚合温度下引发吡咯聚合一定时间,即获得聚吡咯/P VDF 复合纳米纤维及其气敏元件。复合纳米纤维膜的形貌以及红外光谱分别见图1和图2。可以看出复合纤维膜直径在150~300nm,具有较高的比表面积。红外光谱中在1546,963c m -1 出现聚吡咯的特征吸收峰,表明成功制备了聚吡咯/PVDF 复合纳米纤维。 2 聚吡咯复合纳米纤维的气敏响应特性 聚吡咯复合纳米纤维气敏元件与聚吡咯复合薄膜气敏元件对于不同浓度氨气的响应灵敏度曲线见图3。由图可见复合纳米纤维对于400?10 -6 ~3600?10-6 的氨
碳纤维增强复合材料概述 摘要：本文对碳纤维增强复合材料进行了介绍，详细介绍了其优点和应用。并对碳纤维复合材料存在的问题提出建议。 关键字：碳纤维，复合材料，应用 Abstract: In this paper, the carbon fiber reinforced composite materials are introduced, its advantages and application was introduced in detail. And puts forward Suggestions on the problems existing in the carbon fiber composite materials. Key words: carbon fiber, composite materials, applications 1.碳纤维增强复合材料介绍 复合材料是将两种或两种以上不同品质的材料通过专门的成型工艺和制造方法复合而成的一种高性能新材料，按使用要求可分为结构复合材料和功能复合材料，到目前为止，主要的发展方向是结构复合材料，但现在也正在发展集结构和功能一体化的复合材料。通常将组成复合材料的材料或原材料称之为组分材料（constituent materials），它们可以是金属陶瓷或高聚物材料。对结构复合材料而言，组分材料包括基体和增强体，基体是复合材料中的连续相，其作用是将增强体固结在一起并在增强体之间传递载荷；增强体是复合材料中承载的主体，包括纤维、颗粒、晶须或片状物等的增强体，其中纤维可分为连续纤维、长纤维和短切纤维，按纤维材料又可分为金属纤维、陶瓷纤维和聚合物纤维，而目前用得最多的和最重要的是碳纤维[1]。 碳纤维是一种直径极细的连续细丝材料，直径范围在6～8 μm 内，是近几十年发展起来的一种新型材料。目前用在复合材料中的碳纤维主要有两大类：聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维，分别用聚丙烯腈原丝（称之为前驱体）、沥青原丝通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得。通过碳化工艺，使纤维中的氢、
氧化钨纳米片与石墨烯基多级复合纳米材料的构筑与气敏性能 研究 本论文以设计零维/二维多级纳米结构、发展高效的构筑方法为重点,针对二维纳米片材料易堆叠、功能单一等问题,以金属氧化物和金属纳米晶为第二相代表,采用微波、光化学还原等化学方法构筑结构可控、组分可调的二维氧化钨、石墨烯纳米片基多级复合纳米结构材料,系统研究了气敏性能,实现了对有毒有害气体低温、低浓度检测的有效调控。首先,以插层化学法合成的二维WO3纳米片为基体,采用微波法、光化学还原法等湿化学过程在WO3纳米片表面均匀锚固贵金属、金属氧化物纳米晶等第二相,构筑“零维/二维”多级复合纳米结构,系统研究了不同类型第二相纳米晶的含量、颗粒大小、分布等参数对气敏性能的影响规律,分析讨论了相关作用机理。 主要内容如下：(1) 贵金属修饰WO3纳米片多级纳米复合材料及其低温NO 气敏性能。采用一般湿化学还原和光化学还原法分别制备了Au@WO3和Ag@WO3多级复合纳米材料,贵金属Au、Ag纳米晶的修饰显著提高了对NO气体的响应灵敏度,降低了响应温度。 锚固在WO3纳米片表面的Au和Ag纳米晶降低了WO3基材料的电阻,实现了对氧化性气体NO的低温甚至室温下的高效检测。Au纳米晶的含量、粒径和数密度对Au@WO3传感器的NO敏感性能影响较大：低含量时产生的活性位点较少,高含量时Au纳米晶数密度上升产生的连续趋势降低电阻变化程度；1wt.%Au@WO3的复合纳米晶在～170℃对0.5-10 ppm的NO表现出最佳的气敏性能。 Ag修饰WO3纳米片材料表现出类似的NO响应规律：0.5wt%Ag@WO3复合纳米晶在25-200℃对低浓度NO气体具有较高的灵敏度和选择性。基体WO3纳米晶的
碳纤维复合材料 碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre-reinforced Polymer, 简称CFRP)是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料，简称碳纤维复合材料。 碳复合材料的特性主要表现在力学性能、热物理性能和热烧蚀性能三个方面。 (1)密度低(1.7g/cm3左右)在承受高温的结构中，它是最轻的材料;高温的强度好，在2200oC时可保留室温强度;有较高的断裂韧性，抗疲劳性和抗蠕变性;而且拉伸强度和弹性模量高于一般的碳素材料，纤维取向明显影响材料的强度，在受力时其应力-应变曲线呈现"假塑性效应"即在施加载荷初期呈线性关系，后来变成双线性关系，卸载后再加载，曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。 (2)热膨胀系数小，比热容高，能储存大量的热能，导热率低，抗热冲击和热摩擦的性能优异。 (3)耐热烧蚀的性能好，热烧蚀性能是在热流作用下，由于热化学和机械过程中引起的固体材料表面损失的现象,通过表层材料的烧蚀带走大量的热量,可阻止热流入材料内部, C-C材料是一种升华-辐射型材料。 复合原理它以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以碳或石墨化的树脂作为基体。 复合以后的这种材料在高温下的强度好，高温形态稳定，升华温度高，烧蚀凹陷性，平行于增强方向具有高强度和高刚性，能抗裂纹传播，可减震，抗辐射。 碳纤维增强尼龙的特色 碳纤维具有质轻、拉伸强度高、耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变、导电、传热等特色，与玻璃纤维比较，模量高3?5倍，因而是一种取得高刚性和高强度尼龙资料的优秀增强资料。碳纤维复合资料可分为长（接连）纤维增强和短纤维增强两大类。纤维长度可从300~400m 到几个毫米不等。曩昔10年中，大家在改善不一样品种的碳纤维复合资料加工办法和功能方面投入了许多的研讨。从预浸树脂到模塑法加工，从短纤维掺混塑料注射加工到层压成型，在碳纤维复合资料及制品制造方面积累了许多成功的经历。当前普遍认为，长（接连）纤维有高强、高韧方面的优越性，短切纤维有加工性好的特色。因而，长碳纤维复合资料在加工上完善成型技术、短碳纤维复合资料进一步进步力学功能是碳纤维复合资料开展的方向。 依据碳纤维长度、外表处理方式及用量的不一样，还能够制备归纳功能优秀、导电功能各异的导电资料，如抗静电资料、电磁屏蔽资料、面状发热体资料、电极资料等。碳纤维增
1Cs-g-MMA/Ag导电复合材料的制备、表征及气敏性 能研究 摘要：本文在硝酸铈胺-Cs为氧化-还原引发体系基础上，自由基接枝聚合途径来实现。以壳聚糖接枝甲基丙烯酸甲酯(Cs-g-MMA)为模板，次亚磷酸钠作为还原剂，利用其结构中的-NH2与Ag之间的络合作用，设计一种嵌入纳米尺寸Ag的Cs-g-MMA/Ag导电薄膜材料，采用傅里叶变换红外光谱仪、X射线粉末衍射仪、紫外-可见分光光度计和热重分析仪对Cs-g-MMA/Ag复合材料的结构进行了表征。检测了导电薄膜在各种有机蒸汽环境中对电阻响应性的影响并探讨影响薄膜导电性的因素。实验结果表明：导电薄膜在乙醚、三氯甲烷、石油醚有机蒸汽中显示正汽系数效应效应(PVC)，在四氢呋喃、甲醛、乙醇饱和有机溶剂蒸汽中显示负蒸汽系数效应(NVC)。研究表明，Cs-g-MMA/Ag导电薄膜在有机溶剂蒸汽中的响应性由溶胀理论、溶剂蒸气分子与薄膜材料之间的相互作用以及气体分子的种类和作用力的强弱所决定的。 关键词: 接枝聚合物；Ag纳米粒子；气敏响应性 前言：气敏传感器是一种很重要的化学传感器，它在环境检测、农业、工业生产以及生物医学等方面有着广泛的应用[1]。尤其是高分子复合气敏材料备受化学研究者的重视，相比无机半导体材料和有机金属材料，高分子复合气敏材料成本低廉，制作简单，可通过选择不同的大分子链结构对其改性，获得不同的物理化学传感
器，提高其对汽体响应的灵敏度，最重要的可以在室温下使用[2]。因此导电高分子复合材料已成为气敏材料研究的新方向。壳聚糖中含有-CONH、- NH2基团易改性[3-7]。壳聚糖与甲基丙烯酸甲酯的共聚物不仅是一类非常有用的改性纤维，而且也可以制备成导电高分子纳米复合材料，应用于气敏传感器[8-10]。本文利用四价铈离子与带醇羟基的壳聚糖组成氧化还原体系，引发甲基丙烯酸甲酯在壳聚糖表面自由基接枝聚合，制备新型的CS-g-MMA/Ag导电复合材料，研究了该复合材料的气敏特性。 1 实验部分 1. 1.制备CS-g-MMA/Ag导电复合材料所用材料和试 剂 壳聚糖, 化学纯（平均分子量为10万）, 山东海之源有限公司; 甲基丙烯酸甲酯, 分析纯, 天津市科蜜欧化学试剂有限公司; 硝酸铈铵 (CAN), 分析纯, 上海三浦化工有限公司; 次亚磷酸钠, 分析纯, 天津市博迪化工有限公司; 硝酸银, 分析纯, 天津市科蜜欧化学试剂开发中心; 四氢呋喃、三氯甲烷、乙醚、甲醛、丙酮、石油醚均为分析纯，天津化学试剂有限公司。 1. 2.实验表征所用仪器 采用美国Nicolet Nexus 470傅立叶转换红外光谱仪( FT-IR) 对样品的化学结构进行分析。X射线粉末衍射仪，XRD-7000, 日本