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氨气传感器

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关于设计制备静电纺纳米纤维膜/石英晶体微天平氨气传感器

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随着生活水平的提高和环保意识的增强,人们对微量氨气的实时监测提出了更高的要求。静电纺丝是一种相对简单的制备一维纳米长纤维的方法。制备的纳米纤维膜具有纤维直径小、高比表面积和孔隙率、三维立体结构等优点,使得单位面积内暴露出来的敏感基团数量增加,有利于气体的吸附,是制备高性能传感膜的理想材料。因而静电纺纳米纤维膜在气体传感领域具有很强的应用潜力。本文结合静电纺纳米纤维和石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance,QCM)技术,立足于对纳米纤维结构的设计与调控,设计制备三种静电纺纳米纤维传感膜,具体为通过一步法制备聚苯乙烯-聚马来酸酐(PS-b-PMA)纳米纤维,调控制备羧基化石墨烯(G-COOH)/聚苯乙烯(PS)复合多孔纳米纤维,结合静电层层自组装技术(LBL)制备醋酸纤维素(CA)/聚乙烯亚胺(PEI)/聚丙烯酸(PAA)纳米纤维,分别对这三种氨气敏感材料构建的QCM氨气传感器的性能进行了测试和分析,同时研究了比表面积对传感器灵敏度的影响以及氨气吸附机理,以期制备出高灵敏度、快响应速度、检测方便快捷、稳定性好的静电纺纳米纤维/QCM微量氨气传感器系统。主要研究内容包括:(1)构建了一步法静电纺PS-b-PMA纳米纤维膜修饰的QCM氨气传感器。既保留了电纺纤维原有的高比表面积,同时简化了纳米纤维传感膜的制备过程。制备的PS-b-PMA/QCM氨气传感器灵敏度高,可实现对1.5 ppm氨气的快速检测,并具有良好的可重复性。研究基于传感材料电纺纳米纤维的制备和结构调控,通过制备不同比表面积的纳米纤维膜,考察比表面积与检测性能之间的关系。研究结果表明,灵敏度随着比表面积增大呈线性增长变化。(2)实验基于课题组开发的一步法制备PS多孔纤维技术,选取高比表面积G-COOH作为敏感材料,通过静电纺丝制备G-COOH/PS复合纳米多孔纤维,并构建灵敏度高、响应回复快、检测极限低的新型G-COOH/PS氨气传感器。G-COOH/PS复合纳米多孔纤维由纳米线凝聚而成,比表面积达到24.64 m2/g。这种特殊结构提供了更大的表面活性区域,能提高传感膜吸附氨气的能力,从而提高传感性能。在室温条件下,G-COOH/PS氨气传感器可实现对1 ppm氨气的快速检测,并具有良好的可逆性。(3)选取电纺高比表面CA作为模板材料,利用LBL技术将荷正电的PEI和荷负电的敏感类物质PAA交替沉积在荷负电的CA纤维上,将制备的CA/PEI/PAA复合纳米纤维膜应用到QCM检测平台制备氨气传感器。CA/PEI/PAA传感膜保留了电纺CA纤维膜原有的纤维直径小,高比表面积和3D立体结构等优点。所制备的传感器可实现对1ppm氨气的快速检测,同时具有良好的可重复性。本实验通过考察羧基含量与氨气吸附量之间的关系,进一步研究纳米纤维/QCM传感系统对氨气的吸附机理。研究结果表明,当羧基量达到一定程度,吸附过程可能存在多分子层吸附。本文通过多种方法对纳米纤维结构进行设计与调控,制备了三种高灵敏度、响应迅速、稳定性好的新型氨气传感器。同时揭示比表面积对检测性能的影响及纳米纤维/QCM检测系统对氨气的吸附机理,为进一步高传感性能的纳米纤维/QCM氨气传感器的制备打下了一定的理论基础。

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