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石墨烯—聚苯胺复合薄膜的制备及其氨敏特性研究

郭宁杰  
【摘要】:石墨烯材料具有极大的比表面积和优良的电学性质,在电子学、传感器、新能源材料和器件、光学、生物医学等诸多领域显示出巨大的应用前景。本论文以石墨烯、负载氧化锡的石墨烯和苯胺为原料,制备了石墨烯-聚苯胺二元复合薄膜和负载氧化锡的石墨烯-聚苯胺三元复合氨敏膜,分别采用扫描电镜(SEM)和紫外-可见光谱(UV-Vis)对薄膜微观形貌和结构进行了表征;以平面微叉指电极为传感器件结构制备了复合薄膜氨气传感器,室温条件下测试了其气敏特性,研究了石墨烯掺杂量和制备工艺对传感器氨敏性能的影响,并分析了复合薄膜传感器气敏机理。论文的主要内容如下:1.运用原位自组装技术制备了石墨烯-聚苯胺复合薄膜(1-GR-PANI),研究了石墨烯掺杂量对复合薄膜气敏性能的影响,对比分析了石墨烯/聚苯胺分层薄膜(1-GR/PANI)和复合薄膜的氨气敏感性能。研究发现复合薄膜呈现为纳米纤维网状结构,比单一聚苯胺薄膜(PANI)生长更均匀,薄膜孔隙更大,具有更大的比表面积,显示出比单一PANI薄膜更优的气敏特性。当苯胺单体量为0.002mol,石墨烯掺杂量为1mg时,复合薄膜的敏感性能最佳。实验结果表明制备工艺对薄膜的气敏性能有较大影响,复合薄膜传感器的气敏性能优于分层薄膜,分析认为可能是石墨烯不仅为苯胺单体聚合提供了基体,增大复合薄膜的比表面积,同时对聚苯胺有掺杂作用,在复合薄膜中形成π-π共轭结构,有利于载流子传输。2.运用原位氧化聚合法制备了负载氧化锡的石墨烯-聚苯胺(30-GS-PANI)复合材料,采用旋涂制膜工艺制备了单一PANI、负载氧化锡的石墨烯薄膜(30-GS)和30-GS-PANI复合薄膜,并研究了其氨气敏感特性。30-GS-PANI的表面形貌和紫外光谱分析表明,PANI和GS并不是简单的物理混合,而是在形成复合材料时发生了一定的化学相互作用,PANI围绕GS纳米片生长,形成均匀的纳米纤维结构。实验研究了GS掺杂量对30-GS-PANI性能的影响,当GS掺杂量为30mg,苯胺为0.002mol时,复合薄膜具有最佳的气敏性能。实验同时采用物理混合法制备了混合薄膜,对比分析了混合薄膜与复合薄膜传感器对NH3的响应特性,结果表明复合薄膜较混合薄膜有更优异的气敏特性,这可能是由于三元半导体复合材料之间形成了π-π共轭体系以及界面之间产生了多重异质结效应,有利于气体分子吸附与响应。


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