铜基碳纳米管复合材料的构筑策略及其对NOx气敏性能的影响机制.docxVIP

铜基碳纳米管复合材料的构筑策略及其对NOx气敏性能的影响机制

一、引言

1.1研究背景与意义

随着工业化进程的加速，大气污染问题日益严峻，其中氮氧化物（NOx）作为主要污染物之一，对环境和人类健康造成了极大的危害。NOx主要来源于化石燃料的燃烧，如汽车尾气、工业废气排放等。据统计，全球每年排入大气的NOx总量达5000万吨，且呈持续增长趋势。这些NOx不仅会形成酸雨、酸雾，导致土壤和水体酸化，破坏生态平衡；还会与碳氢化合物发生光化学反应，产生光化学烟雾，严重影响空气质量，引发呼吸道疾病、心血管疾病等，威胁人类生命健康。例如，在一些大城市，由于汽车尾气排放量大，NOx浓度过高，夏季经常出现光化学烟雾污染，居民呼吸道疾病发病率明显上升。因此，有效监测和治理NOx污染已成为国际环保领域的重要课题，也是我国“十二五”期间需要重点降低排放量的主要污染物之一。

开发高效的NOx气敏材料是实现NOx实时监测的关键。传统的气敏材料如金属氧化物半导体，虽成本低廉、制造简单，但存在易受背景气体和温度干扰、对气体的选择性差、稳定性较差、功耗较高等问题，难以满足日益严格的环境监测需求。碳纳米管（CNTs）作为一种新型纳米材料，具有独特的中空结构、大比表面积、高电导率和丰富的空隙结构，对气体有很强的吸附能力，使其在气敏传感领域展现出巨大的应用潜力。将碳纳米管与铜基材料复合，有望结合两者的优势，制备出高性能的NOx气敏材料。铜的氧化物在气敏传感领域已有广泛应用，其独特的物理化学性质能够与碳纳米管产生协同效应，提高复合材料对NOx的吸附和催化活性，从而实现对NOx的高灵敏度、高选择性检测。这种铜基碳纳米管复合材料在环境监测、工业废气排放检测、汽车尾气检测等领域具有重要的应用价值，能够为大气污染治理提供有力的技术支持，对于改善空气质量、保护生态环境和人类健康具有重要意义。

1.2国内外研究现状

碳纳米管自1991年被发现以来，因其优异的电学、力学、磁学和化学等特性，在气敏传感领域的研究不断深入。早期研究主要集中在碳纳米管的气敏性能基础探索，发现其对多种气体具有一定的敏感性，但存在稳定性和选择性不足的问题。为了改善这些性能，研究人员开始将碳纳米管与其他材料复合，其中与金属氧化物的复合成为研究热点之一。

在铜基碳纳米管复合材料的设计合成方面，国内外学者采用了多种方法。如化学气相沉积法（CVD），通过在高温和催化剂作用下，使气态的碳源和铜源分解并在基底上沉积，从而实现铜基与碳纳米管的复合。这种方法能够精确控制复合材料的生长位置和结构，但设备昂贵，制备过程复杂，产量较低。溶胶-凝胶法也是常用的制备方法之一，先将铜盐和碳纳米管分散在溶液中形成溶胶，再经过凝胶化、干燥和煅烧等步骤得到复合材料。该方法工艺简单，可在较低温度下制备，有利于保持材料的纳米结构，但存在制备周期长、易引入杂质等缺点。此外，还有电化学沉积法、超声辅助法等，每种方法都有其独特的优缺点和适用范围。

在气敏性能研究方面，已有研究表明铜基碳纳米管复合材料对NOx具有一定的气敏性能。例如，有研究通过水热法制备了CuO/CNT复合材料，并测试其对NO2的气敏性能，结果显示该复合材料在较低工作温度下对NO2具有较高的灵敏度和较快的响应速度。然而，目前的研究仍存在一些不足。一方面，复合材料的气敏性能仍有待进一步提高，如灵敏度、选择性和稳定性等方面，难以满足实际应用的高精度要求。另一方面，对于复合材料的气敏机理研究还不够深入，虽然提出了一些可能的作用机制，如电子转移、吸附-解吸平衡等，但尚未形成统一的理论体系，这限制了对材料性能的进一步优化。此外，在制备工艺方面，如何实现大规模、低成本、高质量的制备，也是亟待解决的问题。

综上所述，虽然铜基碳纳米管复合材料在气敏领域取得了一定的研究成果，但仍有许多问题需要深入研究和解决。本研究旨在通过改进制备方法，优化复合材料的结构和性能，深入探讨其气敏机理，为开发高性能的NOx气敏材料提供理论和实验依据。

1.3研究内容与方法

本文主要研究内容包括以下几个方面：

铜基碳纳米管复合材料的设计合成：采用改进的回流法，通过改变还原剂NaBH4的质量、表面活性剂（十二烷基三甲基溴化铵CTAB）的量和反应时间等参数，精确控制铜基纳米材料（Cu/CuxO）的相组成和形貌，成功合成具有多孔结构的Cu/CuxO。在此基础上，进一步合成铜基碳纳米管（Cu-CuxO/MWCNTs）复合材料，通过调整还原剂质量、原料Cu(CH3COO)2?H2O/MWCNTs和Cu(CH3COO)2?H2O/NaOH的质量比，实现对复合材料中CuO与MWCNTs分布情