摘 要

碳纳米管由于本身巨大的比表面积以及优良电导率等特点，在气敏传感器领域有广泛的应用前景。然而，由于本身结构的缺陷，本征碳纳米管只对几种强氧化性和强还原性气体响应。基于这种情况，学者们努力对碳纳米管进行改性处理以改进其在气敏领域的应用，常见方式为通过表面负载其他物质来改变碳纳米管的气敏性能。但由于碳纳米管表面活化能高，有自发团聚倾向难以分散于溶液以结合其他负载物，常规的表面负载方式难以奏效。近来，有学者通过原位负载这种方式将CNTs与MnO_X-CeO_X复合，最终得到的复合物在脱硝性能上表现良好。在这种思路的启发下，本实验拟通过原位负载这种方式对CNTs进行改性，选择对常见的乙醇气体有良好气敏响应的负载物V₂O₅作为载体，研究该方法对于碳纳米管气敏性能的改进。

研究结果表明：（1）V₂O₅原位负载CNTs复合材料在相对于传统方式制备的该复合材料在结构上的表现为CNTs的表面活性物质V₂O₅分布的更加的均匀，同时与CNTs的结合更加紧密。（2）在气敏性能分析上，V₂O₅原位负载CNTs复合材料为N型半导体，相比于传统方式制备的复合材料其对乙醇气体响应更好。同时负载20 wt% V₂O₅的复合材料气敏性能已经能达到最佳效果，最佳工作温度为190℃，更高的温度会对传感器结构造成破坏导致气敏性能下降。

关键词：碳纳米管、V₂O₅、原位负载、气敏性能

Abstract

Carbon nanotubes have a wide range of applications in the field of gas sensor because of their huge specific surface area and excellent conductivity. However, due to the shortcomings of its own structure, intrinsic carbon nanotubes only respond to several strong oxidizing and strong reducing gases. Based on this situation, scholars have tried to modify the carbon nanotubes to improve their application in the field of gas-sensing, the common way to change the surface of other substances to improve the gas-sensing performance of carbon nanotubes. However, due to the high surface activation energy of carbon nanotubes, spontaneous agglomeration tendency is difficult to disperse in the solution to combine other loads, the conventional surface load method is difficult to work. Recently, some scholars have compounded CNTs with MnO_X-CeO_X in this way by in situ loading, and the resulting complex exhibits good performance in denitrification. Under the inspiration of this idea, this experiment intends to modify CNTs in situ by in situ loading, and choose V2O5, which is a good gas-responsive response to ethanol gas, as a carrier to study the effect of CNTs on carbon nanotubes Sensitive performance improvement.

The results show that: (1) The composite of CNTs composites prepared by V₂O₅ in situ is more uniform in the structure of the surface active material V₂O₅ in CNTs, and more closely with CNTs. (2) In the analysis of gas-sensing performance, V₂O₅ in-situ loaded CNTs composites are N-type semiconductors, which are better for ethanol gas than composites prepared by traditional methods. At the same time load of 20 wt% V₂O₅ composite material gas sensitivity has been able to achieve the best results, the best working temperature of 190 ℃, higher temperature will damage the sensor structure led to decreased gas sensitivity.

Key words: carbon nanotubes, V₂O₅, in situ load，gas sensor property

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 碳纳米管气敏传感器研究现状 1

1.2.1 碳纳米管结构及气敏应用 1

1.2.2 碳纳米管修饰改性研究 2

1.3 碳纳米管负载方式、物质选择 4

1.3.1 碳纳米管负载物质选择 4

1.3.2 碳纳米管负载方式选择 5

1.4 课题研究目的和内容 6

1.4.1 研究思路和目的 6

1.4.2 研究内容 6

第2章 V₂O₅原位负载碳纳米管复合材料制备及表征 7

2.1 引言 7

2.2 实验仪器及试剂 7

2.2.1 实验仪器 7

2.2.2 实验试剂 8

2.3 V₂O₅原位负载碳纳米管复合材料制备 8

2.3.1 碳纳米管的预处理 8

2.3.2 V₂O₅溶胶的制备 9

2.3.3 聚苯乙烯磺酸钠辅助回流法制备V₂O₅原位负载CNTs 9

2.4 结构表征方法 10

2.4.1 物相分析 10

2.4.2 显微结构分析 10

2.4.3 EDS能谱分析 10

2.5 气敏性能测试方法 10

2.5.1 气敏器件的制备 10

2.5.2 气敏性能测试 11

第3章 V₂O₅原位负载碳纳米管复合材料结构及性能分析 12

3.1 V₂O₅原位负载碳纳米管复合材料结构分析 12

3.1.1 CNTs结构分析 12

3.1.2 V₂O₅原位负载CNTs结构分析 13

3.1.3 V₂O₅原位负载CNTs结构复合机理分析 15

3.2 V₂O₅原位负载碳纳米管复合材料气敏性能研究 15

3.2.1 负载方法对气敏性能影响 16

3.2.2 负载量对气敏性能影响 16

3.2.3 工作温度对气敏性能影响 17

第4章 结论和展望 19

4.1 结论 19

4.2 展望 19

参考文献 20

致 谢 23

绪论

引言

碳纳米管材料因其本身超乎常规材料的巨大比表面积以及极好的电导率等优点，在气敏传感器应用方面被学者们认为有极大的前景。然而本征碳纳米管由于本身结构的限制，只能响应几种常见的强还原性和强氧化性气体，对于大多数的常见的需求性大的气体并不能很好的响应。这就对其在气敏传感器的应用有极大的局限性。

基于这种情况，学者们努力对碳纳米管进行改性处理，期待其在气敏领域有更好的应用。常见的碳纳米管改性方式分为表面氧化处理、力学形变和表面负载修饰。考虑到改性的操作性和可能性，表面负载相对其他两种方式更加容易和直接。