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1、编号：编号：_20152015 年桂林电子科技大学年桂林电子科技大学 第十四届第十四届“挑战杯挑战杯”全国大学生课外学术科技作品全国大学生课外学术科技作品 竞赛校内重点项目立项申报材料竞赛校内重点项目立项申报材料项目名称：基于纳米复合材料的甲醛传感器的研究项目名称：基于纳米复合材料的甲醛传感器的研究申报学院：材料科学与工程学院申报学院：材料科学与工程学院项目申报成员：黄娟慧、郑良军、谢劲灿项目申报成员：黄娟慧、郑良军、谢劲灿二二一四年十一月一四年十一月A、申报者情况姓名黄娟慧性别女出生年月1992 年 2 月现学历 A A A 大学本科 B 硕士研究生申报单位桂林电子科技大学专业高分子材料与工
2、程学号1201040102学制4 年申 报 者 情 况作品全称基于纳米复合材料的甲醛传感器的研究姓名性别学号电话所在单位备注郑良军男120101023818078354373桂林电子科技大学谢劲灿男120104022718977326675桂林电子科技大学合 作 者 情 况有无合作者请在此说明： 有 无B、申报作品情况（自然科学类学术论文）作品全称基于纳米复合材料的甲醛传感器的研究作品分类（在选项上画）A 机械与控制（包括机械.仪表.自动化控制.工程.交通.建筑等）B 信息技术（包括计算机.电信.通讯.电子等）C 数理（包括数学.物理.地球与空间科学等）D 能源化工（包括能源.环境.生态.环保
3、等）作品撰写的目的和基本思路（1）通过系统研究多级复合的石墨烯材料，寻找合适的甲醛敏感材料。探索该类材料制备方法的最佳实验条件，并实现形貌和微观结构可控。（2）通过材料组分、结构调整、尺度控制等方法优化材料结构与性能，提高甲醛敏感材料对甲醛的响应特性，从而提高所制备氢传感器的灵敏度、稳定性和选择性。（3）探索材料之间的协调作用机制，构建石墨烯基复合材料氢气传感模型，为制备新型的甲醛传感器提供理论指导和使用基础。作品的科学性、先进性及创新之处1）本项目提出了在石墨烯上多级复合对甲醛敏感的功能材料，通过对材料结构、合成工艺的研究，实现形貌和微观结构可控，提高甲醛敏感材料对甲醛的响应（2）本项目采用
4、石墨烯为基体，首先保证了所制备的材料具有较大的比表面积和优良的电子效应。申请人提出了采用对碳材料包覆后再负载金属纳米粒子，利用包覆材料和金属纳米粒子的相互协调作用，来提高对甲醛检测的灵敏度。作品的实际应用价值和现实意义甲醛是室内空气的主要污染物之一,甲醛被广泛地应用于生产和生活中, 全世界每年生产量达一千万吨以上。甲醛是一种原生质毒物, 对人体健康的危害具有长期性、潜伏性、隐蔽性的特点。因此对甲醛的准确及时检测显得非常重要。本项目拟发展一种新型基于纳米复合材料的电化学甲醛传感器，实现甲醛的灵敏、快速、方便的检测。本项目的研究对发展新型的甲醛传感器具有重要的指导作用，并具有重要的实用价值。申报材
5、料清单（申报论文一篇，相关资料名称及数量）20152015 年桂林电子科技大学年桂林电子科技大学 第十四届第十四届“挑战杯挑战杯”全国大学生课外学术科技作品全国大学生课外学术科技作品 竞赛校内重点项目立项作品说明书竞赛校内重点项目立项作品说明书目 录第 1 章 项目简介 1第 2 章 申请理由 1第 3 章 项目方案 23.1 研究目标23.2 研究内容33.3 拟解决的途径43.4 人员分工53.5 预期成果5第 4 章 简述特色与创新点 6第 5 章 项目进度安排 6第 1 章 项目简介甲醛是室内空气的主要污染物之一,因此对甲醛的准确及时检测显得非常重要。现有的甲醛的共同的缺点是监测时都必
6、须先现场采样, 再进行室内分析, 操作繁琐, 测定时间长。本项目拟发展一种新型基于纳米复合材料的电化学甲醛传感器，实现甲醛的灵敏、快速、方便的检测。本项目的研究对发展新型的甲醛传感器具有重要的指导作用，并具有重要的实用价值。第 2 章 申请理由甲醛被广泛地应用英语生产和生活中，全世界每年生产量达一千万吨以上，其中大量用于生产酚醛树脂、甲醛树脂和三聚氰氨-甲醛树脂，这些树脂广泛用于生产胶合板和涂料中。室内甲醛主要来源于刨花板、密度板、胶合板等人造板材、胶粘剂和墙纸，是室内空气主要污染物之一。甲醛是一种原生质毒物，对人体健康的危害具有长期性、潜伏性、隐蔽性的特点。因此，对环境中甲醛的准确及时检测引
7、起了越来越多的关注。文献报道对甲醛测定的方法很多，这些方法虽各有优点，但共有的缺点是监测时都必须先现场采样，再进行室内分析，操作繁琐，测定时间长，不能满足现场大批测点的监测需求。基于各类甲醛气体传感器的便携式甲醛快速分析仪测定甲醛具有操作，简便、快速灵敏, 携带方便等优点, 目前发展很快。近年来发展了多种甲醛检测方法，如分光光度法、色谱法、荧光法等物理仪器检测和传感器检测等。其中电化学传感器，是将气体的信号直接地变换为电信号，便于电路的设计，且信号准确，灵敏度高。在商业领域广泛应用的电化学甲醛传感器一般有半导体式和电流式。前者使用金属氧化物的全固态模式，具有使用寿命长，信号稳定等优点。但同时存
8、在着诸如选择性差，灵敏度低，高能耗等缺点，限制了其应用。后者是基于控制电位电解的原理，在恒定的电位下采集电流信号（即甲醛在敏感电极上发生催化氧化的阳极电流），具有灵敏度高，检测下限低等特点，克服了半导体式传感器的缺陷。有报道认为甲醛在金电极上于碱性电解质中电催化反应动力学要高于其在酸性电解质中的动力学行为。基于此，本研究拟发展一种基于纳米复合材料的新型甲醛传感器，采用控制电位电解原理，希望设计便捷、成本廉价的低浓度检测的电流型甲醛气体传感器。本团队共有4人组成，我们已经学习了材料科学的相关基础课程，具有一定的理论基础，并对甲醛传感器这项工业技术具有浓厚的兴趣，并在向翠丽老师的带领下，已经开展了
9、相关的研究，目前实验已经取得了一定的进展，但相关的工艺条件还要进一步探索。本项目的指导老师向翠丽老师在传感器方面具有丰富的经验，已发表相关论文多篇，相信在他的带领下，我们一定能够取得较好的结果。第 3 章 项目方案3.1 研究目标（1）通过系统研究多级复合的石墨烯材料，寻找合适的甲醛敏感材料。探索该类材料制备方法的最佳实验条件，并实现形貌和微观结构可控。（2）通过材料组分、结构调整、尺度控制等方法优化材料结构与性能，提高甲醛敏感材料对甲醛的响应特性，从而提高所制备氢传感器的灵敏度、稳定性和选择性。（3）探索材料之间的协调作用机制，构建石墨烯基复合材料氢气传感模型，为制备新型的甲醛传感器提供理论
10、指导和使用基础。3.2 研究内容（1）对石墨烯进行前处理，采用物理和化学合成技术相结合的方法，以石墨烯为基体，复合半导体氧化物如 SnO2，TiO2， ZnO 纳米材料或聚吡咯等导电聚合物，来制备低维碳材料/半导体氧化物或导电聚合物/金属纳米粒子复合体系。通过控制实验条件，调控复合材料的形貌、尺寸、组成和粒径分布等理化性质（2）采用原位化学还原、测控溅射、电化学沉积等方法制备金属纳米粒子，将金属纳米粒子负载到石墨烯/半导体氧化物或石墨烯/导电聚合物上，得到三层结构的复合材料。 调变金属纳米粒子和复合材料的比例，对制备过程进行优化，实现形貌和微观结构可控，采用 XRD，SEM，TEM 等对所制备
11、的材料进行表征。（3）将制备的纳米复合材料负载到所设计的电极上，设计甲醛传感器，改变甲醛的浓度，测试其对氢的响应,研究甲醛传感器的性能与复合材料的组成、结构、形貌关联规律，探索材料之间的协调作用机制。（4）研究温度、湿度、干扰物种等因素对氢传感器性能的影响，对氢的检测条件进行优化，构建甲醛检测的线性关系3.3 拟解决的途径（1）石墨烯复合材料的制备，采用物理和化学合成技术相结合的方法，如原位化学还原、磁控溅射、溶胶-凝胶、化学聚合等技术，以石墨烯为基体，复合半导体氧化物如 TiO2，SiO2，ZnO 纳米材料或聚吡咯等导电聚合物，来制备低维碳材料/半导体氧化物或导电聚合物/金属纳米粒子复合体系
12、，通过制备方法和工艺参数的优化，实现对材料微观结构和氢响应特性的调控，掌握制备条件。（2）复合材料的结构分析，拟采用 X 射线衍射（XRD） 、XPS、电子显微镜、差热分析等多种测试手段相配合，对试验样品进行结构分析和表征，将复合材料负载到电极上，初步测试材料对氢的响应。（3）改变甲醛的浓度，测试甲醛敏感材料对甲醛的响应。利用敏感材料的电化学电流的变化来检测甲醛的浓度，构建线性关系，研究甲醛传感器的性能与敏感材料的组成、结构形貌的关联规律。（4）测试温度干扰物种等因素对甲醛响应的影响，对甲醛检测条件进行优化，提高甲醛传感器的稳定性。3.4 人员分工团队成员将在向翠丽老师的带领下完成实验，查阅相
13、关文献，完成 实验，撰写论文，其中成员的分工如下： 黄娟慧：负责实验方案的设计，甲醛传感器制备工艺的探索。 郑良军：负责复合材料的制备与表征。 谢劲灿：负责甲醛的电化学检测 论文的撰写由三人共同完成。3.5 预期成果（1）掌握甲醛传感器制备工艺条件，实现电化学法检测甲醛，对电 化学甲醛传感器提出指导性方案。 （2）提交研究报告，预期在中文核心刊物上发表研究论文 2 篇。第 4 章 简述特色与创新点（1）本项目首次提出了在石墨烯上多级复合对甲醛敏感的功能材料， 通过对材料结构、合成工艺的研究，实现形貌和微观结构可控，提 高甲醛敏感材料对甲醛的响应。（2）本项目采用石墨烯为基体，首先保证了所制备的
14、材料具有较大 的比表面积和优良的电子效应。申请人提出了采用对碳材料包覆后 再负载金属纳米粒子，利用包覆材料和金属纳米粒子的相互协调作 用，来提高对甲醛检测的灵敏度。第 5 章 项目进度安排（1）2014 年 6 月-2014 年 12 月， 功能化的石墨烯复合材料的合成， 探索该体系材料的制备、形态和尺寸控制等。将复合材料负载到电 极上，初步筛选出对甲醛敏感的材料种类和复合量。（2）2015 年 1 月-2015 年 06 月， 优化出几种甲醛敏感材料体系并 详细研究其对甲醛的响应特性。具体包括: 研究复合物体系对甲醛的响应；探索最适宜的检测条件；构建电流响应和甲醛浓度之间的 线性关系。（3）2015 年 7 月-2015 年 12 月，测试所制备的甲醛传感器的性能。 研究甲醛在敏感材料上的吸附和解离规律。（4）2016 年 1 月-2016 年 05 月，对项目进行总结，撰写论文及申 报专利，做好结题工。
