基于多尺度分析的石墨烯_聚苯胺复合材料气敏特性研究

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1、分类号：TH133UDC：学号：15451482362密级：公开温州大学硕士学位论文基于多尺度分析的石墨烯/聚苯胺复合材料气敏特性研究作者姓名：郭志培养类型：学术型专业名称：制造业信息化技术研究方向：产品数字化设计指导教师：廖宁波完成日期：2018年5月温州大学学位委员会温州大学学位论文独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得温州大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献

2、均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。论文作者签名：日期：年月日温州大学学位论文使用授权声明本人完全了解温州大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权温州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本人在导师指导下完成的论文成果，知识产权归属温州大学。保密论文在解密后遵守此规定。论文作者签名：导师签名：日期：年月日日期：年月日基于多尺度分析的石墨烯/聚苯胺复合材料气敏特性研究摘要由于聚苯胺（PANI）等导电

3、聚合物具有反应速度快，成本低等优点，是较适合于感应NH3的传感材料，但NH3与石墨烯体系的相互作用机理尚不清楚。在这项工作中，利用分子动力学和第一性原理相结合的多尺度分析方法对NH3和石墨烯/聚苯胺纳米复合材料之间的相互作用机制进行了探讨，并对纯聚苯胺和石墨烯/聚苯胺复合材料在不同位置上对NH3的吸附行为进行了分析。与纯净的聚苯胺相比，石墨烯/聚苯胺复合体系的带隙在吸附NH3后发生了更大的改变，这表明其对NH3的感应灵敏度较高。吸附等温线表明石墨烯/聚苯胺体系对NH3的吸附能力较强。此外，石墨烯/聚苯胺中NH3的扩散系数远大于纯聚苯胺，表明纳米复合结构中气体扩散更容易发

4、生。这些计算结论与实验结果吻合。对石墨烯/聚苯胺材料进行多种气体（CO、NO、H2）的气敏特性计算分析，并与NH3的气敏性能作比较，吸附能，Mulliken布局电荷和态密度的结果表明，气体分子与石墨烯/聚苯胺纳米复合材料相互作用的灵敏度为：NH3>NO>CO>H2。通过比较吸附等温线和扩散系数，石墨烯/聚苯胺对NH3气体分子表现出优异的吸附能力。这些结果意味着石墨烯/聚苯胺凭借其高的灵敏度和吸附能而更对NH3具有较高的选择性。这些计算理论将为开发和制作高性能的复合材料气体传感器提供有效的参考。I关键词：密度泛函理论，分子动力学，石墨烯/聚苯胺纳米复合材料，气体传感器II

5、GASSENSINGPROPERTIESSTUDYOFGRAPHENE/POLYANILINECOMPOSITESBASEDONMULTISCALEANALYSISABSTRACTConductingpolymerssuchaspolyaniline(PANI)aresuitablesensingmaterialsforammoniaduetoitsfastresponseandlowcost,whiletheinteractionmechanismbetweenammoniaandGraphene-basedsystemisstillnotclear.Inthiswo

6、rk,theinteractionmechanismbetweenNH3andGraphene/PANInanocompositeswasinvestigatedbyusingmulti-scaleanalysismethodcombiningmoleculardynamicsandfirst-principles,andtheadsorptionofammoniaatdifferentlocationsofpurepolyanilineandGraphene/PANIcompositesareanalyzed.ThebandgapforGraphene/PANIsys

7、temshowsmoresignificantchangeafteradsorptionthanthatofpurepolyaniline,whichindicatesahighersensitivityfordetectingammonia.TheresultsofsorptionisothermimplythatGraphene/PANIsystemexhibitsmoreadsorptioncapacityforammonia.Moreover,thediffusioncoefficientofammoniainGraphene/P