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PANI/N-GQD/中空In2O3纳米纤维三元复合材料的合成及其气敏性能

2022-01-11   易丝帮

在本研究中,采用静电纺丝和高温煅烧相结合的方法制备了中空三氧化铟(In2O3)纳米纤维,然后借助静电相互作用,使用水热法制备的氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs)对其进行涂覆。N-GQD涂覆中空In2O3纳米纤维用作原位化学氧化聚合制备聚苯胺(PANI)/N-GQD/中空In2O3纳米纤维三元复合材料的核。利用傅里叶变换红外、场发射扫描电子显微镜和透射电子显微镜对所制备的三元复合材料的化学结构和形貌进行了表征。通过自制的带有实时电阻采集平台的动态测试系统,对三元复合材料室温下的气敏性能进行了评估。PANI/N-GQD/中空In2O3纳米纤维传感器在负载20wt%N-GQD涂覆中空In2O3纳米纤维和1ppm NH3暴露下的响应值为15.2,约为PANI传感器的4.4倍以上。事实证明,这种三元复合传感器在室温下检测0.6ppm至2.0ppm浓度范围内的NH3时非常灵敏,这对于通过人体呼吸检测肝脏或肾脏疾病至关重要。PANI/N-GQD/中空In2O3纳米纤维传感器在室温下暴露于1.0和2.0ppm NH3时显示出更高的选择性和可重复性。由于PANI/N-GQD/中空In2O3纳米纤维复合传感器在室温下检测1.0和2.0ppm NH3时具有出色的选择性和可重复性,因而PANI/N-GQD/中空In2O3纳米纤维有望成为一种通过人体呼吸检测肝脏或肾脏疾病的理想气敏材料。

 

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图1.(a)N-GQD的TEM图像,(b)N-GQD的粒径分布,以及(c)N-GQD的拉曼光谱。


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图2.(a)In2O3/PVP电纺纤维的SEM图像;(b)中空In2O3纳米纤维经800℃煅烧后的SEM图像;(c)中空In2O3纳米纤维的TEM图像;(d)中空In2O3纳米纤维的WAXD图谱。


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图3.(a)中空In2O3纳米纤维,(b)纯PANI聚合物基质,(c)2.5wt%PANI/中空In2O3纳米纤维,(d)5wt%PANI/中空In2O3纳米纤维,(e)10wt%PANI/中空In2O3纳米纤维,(f)15wt%PANI/中空In2O3纳米纤维,(g)20wt%PANI/中空In2O3纳米纤维和(h)25wt%PANI/中空In2O3纳米纤维复合材料的FTIR光谱。


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图4.(a)2.5wt%PANI/中空In2O3纳米纤维,(b)5wt%PANI/中空In2O3纳米纤维,(c)10wt%PANI/中空In2O3纳米纤维,(d)15wt%PANI/中空In2O3纳米纤维,(e)20wt%PANI/中空In2O3纳米纤维和(f)25wt%PANI/中空In2O3纳米纤维复合材料的SEM和TEM图像。


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图5.(a)纯PANI聚合物基质,(b)2.5wt%PANI/中空In2O3纳米纤维,(c)5wt%PANI/中空In2O3纳米纤维,(d)10wt%PANI/中空In2O3纳米纤维,(e)15wt%PANI/中空In2O3纳米纤维,(f)20wt%PANI/中空In2O3纳米纤维和(g)25wt%PANI/中空In2O3纳米纤维复合材料的BET曲线。


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图6.(a)纯PANI聚合物基质,(b)2.5wt%PANI/中空In2O3纳米纤维,(c)5wt%PANI/中空In2O3纳米纤维,(d)10wt%PANI/中空In2O3纳米纤维,(e)15wt%PANI/中空In2O3纳米纤维,(f)20wt%PANI/中空In2O3纳米纤维和(g)25wt%PANI/中空In2O3纳米纤维复合材料在室温下暴露于1ppm NH3的响应曲线。


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图7.PANI涂覆中空In2O3纳米纤维的表面积和厚度,以及PANI/中空In2O3纳米纤维复合材料中空心In2O3纳米纤维负载与响应的关系。


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图8.(a)纯PANI聚合物基质、20wt%PANI/中空In2O3纳米纤维和20wt%PANI/GQD/中空In2O3纳米纤维复合材料室温下暴露于1ppm NH3的响应曲线以及(b)传感可重复性和可逆性。


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图9.(a)PANI/GQD/中空In2O3纳米纤维传感器的动态响应-恢复曲线和(b)响应-浓度拟合曲线。


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图10.PANI/GQD/中空In2O3纳米纤维复合传感器传感机理示意图及能带隙结构图。


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图11.PANI/GQD/中空In2O3纳米纤维薄膜传感器在1ppm和2ppm浓度下对NH3、甲醇、乙醇和丙酮的选择性。

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