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研究生： 呂慧伶
Hung-Ling Lu
論文名稱： 奈米碳管表面修飾結構與氣體感測選擇性之研究
A Selectivity Study of Gas Sensors Coated with Surface Modified Single Wall Carbon Nanotubes
指導教授： 呂家榮
Lu, Chia-Jung
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 化學系
Department of Chemistry
論文出版年： 2013
畢業學年度： 101
語文別： 中文
論文頁數： 118
中文關鍵詞： 單層奈米碳管 、電阻式感測器 、質量式感測器
英文關鍵詞： single wall carbon nanotube, chemiresistor, quartz crystal microbalance
論文種類： 學術論文
相關次數： 點閱：230  下載：9 
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    • 本研究使用化學合成方式在單層奈米碳管(Single Wall Carbon Nanotube)表面修飾羧酸基和酯類官能基，以及表面包覆十二烷基硫酸鈉共三種改質材料，改變奈米碳管的表面化學選擇性。單層奈米碳管表面修飾材料塗佈於電阻式感測器和質量式感測器上作為氣體感測器，並量測和記錄有機氣體感測時電阻的變化和奈米碳管管壁上吸附有機氣體分子之質量變化，進一步探討奈米碳管表面修飾不同官能基其對於不同有機揮發性氣體的靈敏度以及選擇性的變化。研究成果顯示，由於和有機揮發性氣體形成氫鍵以及極性官能基結構使得單層奈米碳管上表面修飾羧酸基以及酯類官能基對於極性有機揮發性氣體有較好的靈敏度。然而對於表面包覆十二烷基硫酸鈉改質材料，則是偵測甲苯氣體反應性較好。本研究合成出三種官能基改質材料於單層奈米碳管表面上，應用於有機揮發性氣體電阻式感測器偵測，未來將這些奈米碳管表面修飾材料應用於微小化GC氣體感測器。

    In this study, we modified the surface of the single-wall carbon nanotube (SWCNT) with a series of functional groups such as carboxylic group and ester group by chemical synthesis and doping of sodium dodecyl sulfate (SDS). We used three modified materials to change the surface chemical selectivity. Surface modified CNTs were coated on chemiresistor (CR) and quartz crystal microbalance (QCM) as gas sensors. We used them to measure the correlation of the electrical resistance and the mass changes during vapor sorption and to investigate the sensitivity and selectivity versus different volatile organic compounds (VOCs) after surface functionalized. As a result of the hydrogen bond with VOCs and polar functional groups show that SWCNT-COOH and SWCNT-ESTER have better sensitivity to polar VOCs. However, SWCNT-SDS has better reaction for detecting toluene. In this study, we synthesized three functional groups modified material on the surface of SWCNT, used for detecting volatile organic compounds. In the future, we will apply the surface modified SWCNTs as the sensing materials for miniaturized GC detector.

    中文摘要 i 英文摘要 ii 目錄 iii 圖目錄 vi 表目錄 ix 第一章 緒論 1-1 前言 1 1-2 研究動機與目的 2 1-3 奈米碳管的簡介 4 1-3-1 奈米碳管的結構 4 1-3-2 奈米碳管的性質 8 1-4 奈米碳管的製備 11 1-5 奈米碳管的純化法 17 1-5-1 氧化法 17 1-5-2 微波加熱法 19 1-5-3 層析法 20 1-5-4 超音波震盪輔助法 20 1-6 奈米碳管感測器的應用 21 1-7 感測器的介紹 23 1-7-1 奈米碳管之電阻式化學感測器原理 23 1-7-2 石英微量天秤 27 1-7-3 奈米碳管塗佈於石英微量天秤感測器之應用 29 第二章 實驗部分 2-1 實驗藥品與實驗儀器 31 2-1-1 實驗藥品 31 2-1-2 實驗儀器 33 2-2 實驗架構圖 36 2-3 單層奈米碳管(SWCNT)改質材料合成 37 2-3-1 奈米碳管酸化反應之SWCNT-COOH合成 38 2-3-2 奈米碳管酯化反應之SWCNT-COOC8H17合成 39 2-3-3 奈米碳管表面包覆之SWCNT-SDS 40 2-4 基本電阻量測與噴鍍控制 41 2-5 氣體生成量測系統說明 44 2-5-1 資料擷取程式部份 47 2-5-2 有機氣體的感測 53 2-6 有機氣體感測訊號數據處理 54 2-7 奈米碳管感測器偵測下限濃度計算(LOD) 56 第三章 實驗結果與討論 3-1 奈米碳管改質感測材料之鑑定 57 3-1-1 FT- IR圖譜鑑定 57 3-1-2 奈米碳管SEM圖譜鑑定 60 3-2 生成系統之十種有機氣體濃度校正 62 3-2-1 高濃度校正 63 3-2-2 低濃度校正 64 3-3 有機氣體感測訊號原理 65 3-4 四種SWCNT感測器對於有機氣體感測訊號探討 73 3-4-1 SWCNT和SWCNT-SDS感測器探討 75 3-4-2 SWCNT-COOH感測器探討 79 3-4-3 SWCNT-ESTER感測器探討 83 3-4-4 四種感測器綜合探討 87 3-4-5 奈米碳管表面改質材料對於氣體感測之反應機制探討 101 第四章 結論 103 第五章 參考文獻 105 附錄 111 圖目錄 圖1.1 奈米碳管表面改質材料及其反應訊號圖 3 圖1.2 碳元素之同素異形體 5 圖1.3 概念化描繪的同心多層捲曲之多壁奈米碳管(MWNT) 6 圖1.4 三種不同奈米碳管結構類型 7 圖1.5 碳電弧放電法圖 12 圖1.6 雷射蒸發法示意圖 14 圖1.7 CVD系統合成奈米碳管示意圖 16 圖1.8 一些常見用來做為爆裂物之化學結構 22 圖1.9 聚合物基體膨潤造成兩個奈米線界面電阻改變之示意圖 24 圖1.10 奈米碳管和氣體分子反應機制圖 26 圖1.11 電流激發脫附反應機制Poole-Frenkel (P-F) conduction示意圖 26 圖1.12 石英晶體之切割形態 27 圖1.13 塗佈四層單層奈米碳管於石英微量天秤偵測芳香族反應圖 29 圖1.14 濕度感測裝置示意圖 30 圖2.1 電阻式化學感測器之碳電極圖 35 圖2.2 奈米碳管表面改質結構圖 37 圖2.3 奈米碳管表面包覆SDS結構圖 38 圖2.4 奈米碳管酯化合成圖 39 圖2.5 噴灑材料於碳電極和石英微量天秤示意圖 41 圖2.6 感測器組裝之實體照片 42 圖2.7 質量式自組裝電路實體照片 43 圖2.8 電阻式自組裝電路實體照片 44 圖2.9 動態標準有機氣體生成系統示意圖 45 圖2.10 動態標準有機氣體生成系統之液體容器實體照片 46 圖2.11 電阻式感測器內部程式之電壓頻道開啟工具 47 圖2.12 質量式感測器內部程式之頻率輸入頻道開啟工具 48 圖2.13 電阻式感測器內部程式之數據處理記錄工具 48 圖2.14 質量式感測器內部程式之數據處理記錄工具 48 圖2.15 電阻式感測器內部程式電壓輸出控制工具 49 圖2.16 LabVIEW資料擷取程式-質量式感測器部分內部開關程式圖 50 圖2.17 LabVIEW資料擷取程式-電阻式感測器部分 51 圖2.18 LabVIEW資料擷取程式-質量式感測器部分 52 圖2.19 電阻式感測器-自組裝電路圖 55 圖2.20 質量式感測器-自組裝電路圖 56 圖3.1 四種奈米碳管材料之FT-IR 吸收光譜圖 59 圖3.2 改質奈米碳管材料之SEM圖 61 圖3.3 高濃度之丁醇標準液體配製及氣體生成檢量線之比較 63 圖3.4 低濃度之丁醇標準液體配製及氣體生成檢量線之比較 64 圖3.5 電阻式感測器-甲苯(400 ppm & 9000 ppm)之反應訊號圖 67 圖3.6 質量式感測器-甲苯(8009 ppm & 10011 ppm)之反應訊號圖 68 圖3.7 SWCNT-SDS感測器偵測butanol反應訊號圖 71 圖3.8 SWCNT-ESTER感測器偵測butyl acetate反應訊號圖 71 圖3.9 電阻式和質量式之奈米碳管氣體感測器反應速率比較示意圖 72 圖3.10 SWCNT-SDS氣體吸附反應機制示意圖 76 圖3.11 SWCNT & SWCNT-SDS感測器偵測十種氣體靈敏度比較圖 78 圖3.12 SWCNT-COOH感測器偵測toluene反應訊號圖 80 圖3.13 SWCNT-COOH電阻式感測器校正曲線圖 81 圖3.14 SWCNT-COOH電阻式感測器偵測氣體靈敏度圖 82 圖3.15 SWCNT-COOH感測丁醇反應機制圖 82 圖3.16 CR-SWCNT-ESTER偵測toluene (1000 ppm~9000 ppm) 反應訊號圖 85 圖3.17 CR-SWCNT-ESTER偵測toluene (200 ppm~1000 ppm) 反應訊號圖 85 圖3.18 SWCNT-ESTER 感測器(a)CR (b)QCM偵測三種氣體反應訊號圖 86 圖3.19 四種感測器偵測octane & butanol 反應訊號圖 90 圖3.20 電阻式感測器偵測toluene校正曲線圖 92 圖3.21 電阻式感測器-校正曲線圖 93 圖3.22 質量式感測器-校正曲線圖 96 圖3.23 電阻式感測器和質量式感測器偵測十種氣體感測靈敏度比較圖 100 表目錄 表3.1 十種高濃度之有機氣體生成系統校正之誤差計算 63 表3.2 十種低濃度之有機氣體生成系統校正之誤差計算 64 表3.3 各類揮發性有機氣體物性表 73 表3.4 四種感測器對於有機氣體偵測濃度表 74 表3.5 電阻式感測器偵測十種氣體校正曲線趨勢及偵測下限濃度 95 表3.6 質量式感測器偵測十種氣體之校正曲線趨勢 97 表3.7 CR、QCM校正曲線圖中之斜率值比較表 98 表3.8 高濃度液體檢量線之溶液配製 111 表3.9 有機生成系統之丁醇氣體高濃度配製表 112 表3.10 高濃度氣體檢量線配製表 114 表3.11 低濃度液體檢量線之溶液配製 115 表3.12 有機生成系統之丁醇氣體低濃度配製表 117 表3.13 低濃度氣體檢量線配製表 118

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