摘要
半导体气体传感器是以半导体功能材料为敏感元件制成的气体传感器，具备响应灵敏、成本低廉、物理化学性质稳定等优点，并已在工业污染监测、空气质量分析、食品安全检测、爆炸物检测和人类呼出气体检测等领域内得到了广泛使用。构筑新型半导体气体传感器以实现气体的高效可持续检测，已成为气体传感领域的研究重点。金属氧化物、导电聚合物、碳纳米材料、金属有机框架等材料是典型的电阻型气敏材料，但是存在表面反应性较低、选择性不佳等缺点。石墨相氮化碳作为一种无金属共轭聚合物，以其简单的合成方法、优良的电子性质和稳定的物理化学性质，被认为是新一代用于气体检测的半导体气体传感器的敏感材料。本论文基于石墨相氮化碳制备异质结复合材料并构建气体传感器，研究其对氨气、二氧化氮等气体的传感性能。主要的研究内容如下： 1.基于石墨相氮化碳@三氧化钨异质结复合材料构建了室温下检测ppb级氨气的光电气体传感器。以尿素为原料，通过煅烧法制备了尺寸达到纳米级别的石墨相氮化碳纳米片。该石墨相氮化碳纳米片具有丰富的比表面积，有助于与气体分子相互作用。并为不同材料的复合提供了附着位点。通过超声-化学法在石墨氮化碳纳米片表面负载三氧化钨纳米片，精确调控三氧化钨纳米片生长时间进而得到了石墨相氮化碳@三氧化钨核壳异质结构。异质结两侧的电子消耗层和电子存储层造成能带弯曲，促进电子传输。异质结还通过增加催化活性和吸附点来促进气体传输。采用多种手段表征了复合材料的形貌和结构特征，通过不同波长光照下的气体响应对比以及光功率密度测试探究出了最大灵敏度对应的紫外光波长，并系统研究了在紫外光照射对石墨相氮化碳@三氧化钨气敏性能的影响规律。研究表明，与纯石墨相氮化碳相比，该石墨相氮化碳@三氧化钨对10ppm氨气的灵敏度提高了2.5倍，检测下限达308ppb。与黑暗环境下相比，该石墨相氮化碳@三氧化钨在紫外光照下对10ppm氨气的灵敏度提高了21倍，检测下限达108ppb。该气体传感器的优异性能同样体现在循环稳定性、抗湿度干扰性、抗杂质气体干扰等测试当中，为其后投入实际应用提供了可能性。 2.基于石墨相氮化碳/聚吡咯异质结复合材料构建了高效检测氨与二氧化氮的柔性气体传感器。以尿素作为前驱体，通过煅烧及过氧化氢蚀刻制备了多孔的石墨相氮化碳纳米片，并通过水热法在多孔氮化碳纳米片的表面原位聚合了聚吡咯颗粒。运用旋涂法将复合材料沉积在柔性海藻纤维纸上，并通过低温热处理使其结构稳定。通过TEM、FITR、XRD和XPS系统地分析了复合界面的形貌结构、表面化学状态和化学成分。通过改变石墨相氮化碳/聚吡咯中石墨氮化碳的质量分数，探究了不同石墨相氮化碳含量对传感器气敏性能的影响。该柔性气体传感器在室温下对二氧化氮和氨气具有优异气敏性能，对氨气呈正响应，对于二氧化氮则呈现负响应。提供了在实际应用中进行不同气体检测的可能性。研究表明，与纯石墨相氮化碳相比，石墨相氮化碳/聚吡咯复合材料对5ppm氨气的灵敏度提高了4.4倍、对5ppm二氧化氮的灵敏度提高了3.1倍。传感器的性能在经过多次弯曲及多个角度弯曲后基本保持不变。该气体传感器对于氨与二氧化氮表现出优异的检测下限，分别达到了65ppb和59ppb。其灵敏度在不同浓度的氨与二氧化氮的情况下均表现出高度的线性，显示了其在检测低浓度气体方面的优异性能。此外，通过与纤维素纸和海藻纤维纸的阻燃实验对比，证实了纤维质纸基柔性气体传感器卓越的阻燃性能。通过PCA主成分分析、预测模型等一系列分析手段，实现多种不同气体的定性区分和灵敏度预测，为新型半导体气体传感器的研发提供了一个新的思路。
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