三维PANI/Ti3C2Tx纳米材料的制备及气体传感性能研究
通过人体呼出气体检测技术有希望实现人体疾病的无创检测和早期诊断。挥发性有机化合物(VOCs)常作为疾病标志物，其中丙酮为糖尿病患者的呼吸标志物。因此，制备高灵敏度、高选择性的丙酮气体传感器对实现糖尿病的无创检测具有重要意义。然而，目前已报导的气体传感材料尚不能同时满足高灵敏度、高选择性和稳定的室温检测，阻碍了气体传感器在医疗健康领域的应用及发展，寻找合适的丙酮气体传感材料具有重要的意义和挑战。 新型二维层状纳米材料MXenes具有种类繁多、比表面积大、导电性能强、表面含有丰富的官能团以及能带宽度可调等优异性能，是高灵敏、低能耗气体传感器的明星候选材料。其中，Ti3C2Tx(T=OH，O，F)能够在室温下检测低浓度的丙酮、乙醇等VOCs，并且具有很高的灵敏度。但同时Ti3C2Tx也存在着很多缺陷，其自身的层片容易发生自堆积以及对VOC气体的单一选择性差，这在一定程度上阻碍了其在气体传感领域中的发展。导电聚合物聚苯胺(PANI)具有π-电子共轭聚合物骨架、较高的电导率以及可逆掺杂/去掺杂特性以及特定的-NH2官能团，能够增强对丙酮气体的特异性吸附。构建PANI/Ti3C2Tx纳米材料，为单一选择性检测丙酮气体提供了可能性，扩展了丙酮气体传感器在非创伤性糖尿病诊断的应用前景。 本文主要包括以下内容： (1)利用苯胺阳离子自主诱导二维层状Ti3C2Tx纳米片有序连接技术，经过一步原位聚合反应，制备了三维PANI/Ti3C2Tx纳米材料。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微电镜(TEM)以及X射线电子能谱(XPS )等技术对二维层状Ti3C2Tx纳米材料以及三维结构的PANI/Ti3C2Tx纳米材料进行了结构表征。研究结果表明：Ti3C2Tx纳米片被苯胺阳离子成功诱导，使二维层状的Ti3C2Tx转变为三维的PANI/Ti3C2Tx；而由于PANI的牵引作用缩小了Ti3C2Tx的层间距，从而使Ti3C2Tx的纳米片表面形貌发生改变；PANI的引入可以防止Ti3C2Tx片层的自堆积，提高其表面利用率和活性暴露位点；增加额外的官能团-NH2，为丙酮气体提供更多特异性吸附/解吸位点。 (2)将三维PANI/Ti3C2Tx纳米材料应用于VOCs的传感检测中，对丙酮、乙醇及异戊二烯进行传感性能的测试。研究发现，与二维Ti3C2Tx纳米材料相比，三维PANI/Ti3C2Tx纳米材料对丙酮气体的选择性更高，响应程度较大，灵敏度很高，理论检测限可达8ppb。
纳米材料;聚苯胺;Ti3C2Tx;原位聚合反应;气体传感性能
浙江工业大学
硕士
物理化学
陈爱民
2020
中文
TB383
2021-02-01（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）