功能化碳纳米管的影响在室温下苯的检测gydF4y2Ba

文摘gydF4y2Ba

在这篇文章中,碳纳米管被酸功能化处理,进一步功能化材料和被指定为CNT-carboxylic CNT-amide,分别。然后,功能化碳纳米管生产与各种方法来验证特征官能团的附件。功能化碳纳米管的性能的检测苯气体在室温下监控。样品被抛到互相交叉的换能器(IDT)和数字万用表的电阻率变化记录在一个定制的室控制环境湿度(∼55%)。基于研究结果,它表明功能化碳纳米管提供一个额外的活跃区域气体分析物和碳纳米管之间的相互作用,从而增加他们的反应和提高灵敏度的传感材料。gydF4y2Ba

1。介绍gydF4y2Ba

苯、CgydF4y2Ba_6gydF4y2BaHgydF4y2Ba_6gydF4y2Ba,是一种重要的有机化合物,由六个碳原子的共价成键有一个氢原子。苯的主要用途之一是合成其他化学物质如硝基苯的中间,异丙基苯、乙苯、苯胺和环己烷。例如,乙苯苯乙烯的前兆,用于生产聚合物和塑料,如聚苯乙烯(PS)和发泡聚苯乙烯(EPS) [gydF4y2Ba1gydF4y2Ba]。苯致癌性质,这是众所周知的了许多年。美国美国职业安全与健康管理局(OSHA)设置限制的暴露在工作场所1百分率(ppm)的8小时工作制,每周40小时的工作时间gydF4y2Ba2gydF4y2Ba]。美国OSHA也固定动作苯浓度的0.5 ppm水平为了鼓励低暴露在工作场所(gydF4y2Ba3gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

一般来说,苯检测使用一些技术,如气相色谱法(gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)、质谱(gydF4y2Ba5gydF4y2Ba,gydF4y2Ba6gydF4y2Ba),离子迁移谱法(gydF4y2Ba7gydF4y2Ba),紫外分光光度法(gydF4y2Ba8gydF4y2Ba,gydF4y2Ba9gydF4y2Ba]。即使仪器敏感和产生结果快,它们笨重,不便于携带。因此,微型气体传感器成为主要兴趣在苯的检测gydF4y2Ba10gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba12gydF4y2Ba要克服这些障碍。一个优秀的微型气体传感器需要高灵敏度、快速响应、高选择性和重现性(gydF4y2Ba13gydF4y2Ba]。尽管传感材料,如半导体金属氧化物(SMO)有良好的性能,他们需要更多的权力和选择性较低。gydF4y2Ba

纳米材料是一个很好的候选人传感材料由于其低功耗和良好的化学选择性[gydF4y2Ba14gydF4y2Ba]。发现以来Ijima [gydF4y2Ba15gydF4y2Ba),碳纳米管气体传感器领域的广泛应用,特别是由于纳米尺度和大比表面积是重要的气体分析物和碳纳米管之间的相互作用。然而,他们的不均匀结构和城市群性质的潜力有限,让他们不敏感和选择性gydF4y2Ba16gydF4y2Ba]。与官能团改性的碳纳米管(gydF4y2Ba17gydF4y2Ba),聚合物(gydF4y2Ba18gydF4y2Ba),和金属氧化物纳米颗粒gydF4y2Ba19gydF4y2Ba)的几种方法用来提高碳纳米管的兼容性。gydF4y2Ba

改性碳纳米管的各种官能团变化他们的电子性质,从而提高他们对特定气体的选择性和增加他们的反应。值得注意,目标分子之间的相互作用不同的官能团变化显著(gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba]。主要修改碳纳米管的羧基。羧基将创建反应网站在碳纳米管的侧壁和结束激烈的与目标分子的相互作用发生的地方。例如,它是显示(gydF4y2Ba21gydF4y2Ba)单壁碳纳米管上的羧基(SWCNT-carboxylic)显示良好的重复性和更好的对10 ppm一氧化碳混合反应,CO和氨,在北半球gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba气体。SWCNT-carboxylic证明向比NH公司更快的响应gydF4y2Ba_3gydF4y2Ba气体。除此之外,从微传感器合成功能化碳纳米管储氢酸(MWCNT-carboxylic)敏感(HgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba)气体的检测极限为0.05%,而原始热合显示可怜的反应气体(gydF4y2Ba22gydF4y2Ba]。MWCNT-carboxylic传感器的恢复时间减少到100年代0.05%的HgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba天然气相比原始MWCNT的190年代。Leghrib等人开发了一种微传感器阵列检测苯在室温下通过使用plasma-treated微碳纳米管装饰着铑(Rh)钯(Pd),黄金(Au),或镍(镍)。这个传感器显示良好的敏感性与苯的检测极限低于50 ppb(磅)gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。同时,气体preconcentrator基于三种不同类型的碳纳米管微,双壁,单壁碳纳米管(热合、DWCNTs SWCNTs)是捏造的有效检测苯gydF4y2Ba23gydF4y2Ba]。通过电弧放电产生的结果表明,碳管表现出良好的性能,应用程序的喷射器单元气体preconcentrator。gydF4y2Ba

摘要功能化碳纳米处理sulphonitric混合物(gydF4y2Ba24gydF4y2Ba)和用作酰胺反应前体材料功能化利用构建反应物。前后的碳纳米管的表面形态构建由场发射扫描电子显微镜检查附件(FESEM-EDX)和能量色散x射线分析,证实了和官能团附件使用傅里叶变换红外光谱(ir)。功能化碳纳米管的潜力在苯气体的检测相对于原始碳纳米管和功能化的影响通过观察研究了碳纳米管的电阻率的变化当暴露于苯气体。gydF4y2Ba

2。方法gydF4y2Ba

2.1。材料gydF4y2Ba

硫酸(HgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba所以gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba98%)、材料(CHgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba(CHgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba)gydF4y2Ba_11gydF4y2BaNHgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba99%),硝酸(HNOgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba,65%)购买了从默克公司(德国)。碳纳米管(纯度:95%;类型:微;内径,ID: 5 - 10海里)10 - 30的长度gydF4y2BaμgydF4y2Bam是获得纳米&非结晶体材料公司(美国)。所有的化学试剂使用没有任何净化和分析级。检测苯、苯蒸气在100 ppm与氮气混合获得AGS科学公司(新加坡)。gydF4y2Ba

2.2。羧基和氨基功能化的问gydF4y2Ba

在一个小烧杯,2.0 g的原始碳纳米管加入3:1 HgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba所以gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba/ HNOgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba(sulphonitric混合物)和超声破碎法用水浴2小时在70°C。功能化碳纳米管处理完成后,过滤,洗涤多次,直到产品pH值达到7在真空干燥箱中干燥24小时(gydF4y2Ba24gydF4y2Ba]。这种功能化碳纳米管CNT-carboxylic的标签。gydF4y2Ba

为酰胺功能化材料融化在电炉上半个小时在80°C。当反应物完全融化,CNT-carboxylic添加和用在同一温度一段时间之前添加几滴HgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba所以gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba作为一个催化剂。声波降解法过程持续了5个小时。最后,产品是过滤和清洗几次,直到它达到pH值7在真空干燥箱中干燥24小时。这种功能化碳纳米管CNT-amide的标签。功能化碳纳米管的都是使用FESEM-EDX特征和红外光谱分析,确保有利的结果在附件的羧基和酰胺(-CONH(羧基)gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba)碳纳米管上的官能团。gydF4y2Ba

2.3。检测苯的问gydF4y2Ba

原始和功能化碳纳米管在蒸馏水稀释,用30分钟40°C。然后,通过使用微量吸液管,2.5gydF4y2BaμgydF4y2BaL的碳纳米管被投到上一个互相交叉换能器(IDT)和烤箱里干30分钟。电接触是由连接两个金线在烤箱IDT再烤30分钟。IDT的样本被定制的室和连接到一个数字万用表记录电阻变化。苯与氮气注入5分钟交替(载气)的浓度从0.125%到1%在室温湿度控制环境(∼55%)。电阻的变化与时间策划分析碳纳米管的功能化的影响苯的检测。除此之外,碳纳米管的敏感性也计算和绘制比较原始碳纳米管的敏感性和功能化碳纳米管的。gydF4y2Ba

3所示。结果与讨论gydF4y2Ba

3.1。描述的羧基和氨基功能化的问gydF4y2Ba

功能化碳纳米管的表面形貌和元素组成调查FESEM-EDX (JEOL 7600 f;马来西亚Putra大学生物科学研究所)的加速电压5.0 kV。数据gydF4y2Ba1(一)gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba1 (c)gydF4y2Ba显示出独特的碳纳米管及其对应的直径大小分布直方图的图像。原始碳纳米管显示相当光滑而功能化碳纳米管的结构。显然所示插入的图像数据gydF4y2Ba1(一)gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba1 (c)gydF4y2Ba功能化碳纳米管的形态似乎是粗糙的治疗酸功能化过程中(gydF4y2Ba25gydF4y2Ba]。原始碳纳米管的直径分布在10纳米到109纳米的范围,和平均直径为32.46 nm标准差为17.38。同时,造成的功能化碳纳米管更一致和密集的插入一个新的官能团(gydF4y2Ba26gydF4y2Ba]。直径分布CNT-carboxylic是降低10到73纳米的范围内,平均直径为27.98 nm和标准偏差为11.06,和直径分布CNT-amide略下降在10到109纳米的范围,和平均直径为32.16 nm标准差为17.01。功能化碳纳米管的样本的标准差是相当大,表明碳纳米管的直径是不一致的。羧基功能化过程中,附件(羧基)和酰胺(-CONHgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba与碳碳双键)组(C = C)的碳纳米管取决于硬脂因素。因为这个效果,很难实现统一的功能化;因此,功能化碳纳米管的直径是不一致的。因此,考虑到直径改变是由新的官能团gydF4y2Ba27gydF4y2Ba、元素成分分析加强了结果通过显示百分比增加氧元素和外观的氮元素(表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

转换插入新产生的碳纳米管表面的官能团是利用傅立叶变换红外光谱(图定性识别gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)。表gydF4y2Ba2gydF4y2Ba显示了傅立叶变换红外光谱强度的峰值出现在所有样本。所有光谱显示乐队约1640厘米gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}和3100厘米gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba},这与C = C和s伸展地振动,分别为(gydF4y2Ba28gydF4y2Ba]。的傅立叶变换红外光谱CNT-carboxylic显示一个乐队在1880厘米的发生gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba},这与拉伸的羧酸羰基集团。此外,增加乐队的强度在2880厘米gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}与原始碳纳米管光谱证实羧酸组(表的附件gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)。根据一项研究[gydF4y2Ba29日gydF4y2Ba羟基和羧基组),与sulphonitric混合物附着在碳纳米管的改性是导致这种增量。CNT-carboxylic进一步功能化与胺后,乐队在1650年,1404年,3300厘米gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}光谱中被发现,这可能是指定C = O(酰胺)- h弯曲,分别和h (gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba]。因此,CNT-amide的傅立叶变换红外光谱证实CNT-carboxylic表面完成,对待酰胺官能团。gydF4y2Ba

3.2。检测苯的问gydF4y2Ba

图gydF4y2Ba3gydF4y2Ba显示阻力变化的碳纳米管暴露在室温下与不同浓度苯气体。据Leghrib et al。gydF4y2Ba31日gydF4y2Ba对苯)、功能化碳纳米管具有良好的响应。基本上,检测苯与气体之间的电子转移费用分析物和传感材料,在我们的案例中,碳纳米管。可以看到,电阻的倒数的变化直接与苯气体浓度的增加成正比。原始碳纳米管作为传感材料显示不稳定的电阻阅读在暴露于苯气体。同时,功能化碳纳米管的显示,更好的反应增加苯气体浓度。gydF4y2Ba

CNT-carboxylic阻力的增加,当暴露于苯气体和氮气净化后回系统,基准电阻是恢复了。这是由于与苯气体变化的相互作用费米能级的碳纳米管从价带,导致增加阻力的碳纳米管gydF4y2Ba32gydF4y2Ba]。因为附件的碳纳米管表面的羧酸组,气体分析物最有可能与羧基的尾巴(gydF4y2Ba23gydF4y2Ba),从而防止气体分析物达到碳纳米管的表面,导致相同的值电阻暴露在不同浓度的苯气体。但是CNT-amide,苯气体的阻力增加,当浓度增加。这是因为饱和效应存在时,分子没有完全眠碳纳米管表面在室温下与CNT-carboxylic。因此,基准电阻CNT-amide清洗阶段很难恢复。gydF4y2Ba

此外,碳纳米管与功能组作为一个额外的活跃区域气体吸附(gydF4y2Ba33gydF4y2Ba),允许更多的蒸汽进行交互并最终释放更多的自由电子数量(gydF4y2Ba12gydF4y2Ba]。自由电子的转移传导带的氧化组(羧基和氨基),在功能化碳纳米管的浓度改变洞。这些电子穿梭到纳米管网络由于管的定位和功能组。这样一个过程产生电子空穴复合,减少管孔的数量。因此,碳纳米管的阻力增加灵敏度以及他们在暴露于苯蒸气。gydF4y2Ba

图gydF4y2Ba4gydF4y2Ba显示了一个图的敏感性碳纳米管暴露于苯气体。灵敏度(gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba)的原始碳纳米管功能化碳纳米管是估计方程(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)[gydF4y2Ba34gydF4y2Ba),gydF4y2BaRgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba的阻力当暴露于苯气体和碳纳米管gydF4y2BaRgydF4y2Ba_ogydF4y2Ba是碳纳米管的阻力当暴露于氮气:gydF4y2Ba

从图,清楚地看到,功能化碳纳米管显示灵敏度每苯气体浓度高于原始碳纳米管;例如,在0.125%,原始碳纳米管只有0.0067%的敏感性比CNT-carboxylic(3.4995%)和CNT-amide (1.2929%)。基于这个结果,可以得出结论,功能化碳纳米管的高度响应对苯气体由于出现在碳纳米管表面的官能团(gydF4y2Ba35gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

4所示。结论gydF4y2Ba

碳纳米管的功能化与羧基和氨基官能团。从表征分析,证实了官能团成功附着在碳纳米管的表面。功能化碳纳米管的显示更好的响应和对苯在室温高灵敏度。因此,它提供了一个巨大的影响在其他气体的检测使用功能化碳纳米管,传感材料与高灵敏度和低生产成本。gydF4y2Ba

数据可用性gydF4y2Ba

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。gydF4y2Ba

的利益冲突gydF4y2Ba

作者宣称没有利益冲突。gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

这项工作是支持的高等教育(可耐福天津公司)根据基础研究资助计划(德意志联邦共和国,代码格兰特:德意志联邦共和国/ 1/2016 / STG01 / UPNM / 02/1)。作者也要感谢UPNM和其巨大的支持。gydF4y2Ba

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