论文部分内容阅读
随着人类对环境污染问题的重视,对有毒有害气体的监测与传感变得日益重要。金属有机框架(MOFs)材料是一种多孔吸附性材料,除了在气体存储方面具有广泛应用前景,在环境监测研究领域也引发关注,主要表现在其对挥发性有机气体、硫化物的吸附与分离以及废水处理等。而光纤器件因其体积小、重量轻、抗电磁干扰等优点被广泛应用于传感监测领域,因此本文提出并验证了一种基于金属有机框架材料ZIF-8的级联长周期光纤光栅的气体传感与吸附/解吸附监测器件。本论文的主要研究内容如下:(1)介绍了当前光学传感器和金属有机框架材料的研究现状,分析了几种常见的光学传感器的基本原理和机制,在此基础上提出将金属有机框架材料与级联长周期光纤光栅结合的器件结构。(2)基于光纤基本理论,介绍了单个长周期光纤光栅及级联型长周期光纤光栅的基本理论,计算了单模光纤内的基模与包层模的色散方程,并对光栅的各个参数进行了仿真,同时介绍了金属有机框架材料的吸附理论。(3)仿真后确定了器件的参数,介绍了本论文中制作长周期光纤光栅的方法,同时介绍了所选用的金属有机框架材料ZIF-8薄膜的物理化学性质及在光纤上原位生长ZIF-8薄膜的步骤,最后对不同厚度的ZIF-8薄膜做了扫描电子显微镜检测,通过实验确定了级联长周期光纤光栅上所需要生长的ZIF-8薄膜的厚度。(4)使用生长有一定厚度的ZIF-8薄膜的级联长周期光纤光栅测试了六种具有线性结构的小分子气体,实验表明当客体分子尺寸小于ZIF-8孔径时(3.4?),小分子可快速进入ZIF-8孔道内,且具有较快的响应速度,说明该器件可用于小分子气体传感,同时为研究分子在金属有机框架材料内的解吸附过程,对分子尺寸大于ZIF-8孔径的四种气体做了测试,实验表明ZIF-8可以吸附并捕获大分子气体于孔道内,而通过甲醇置换的方法可以将被捕获的气体解吸附出,结果表明该器件可用作动态监测金属有机框架材料内大分子吸附/解吸附物理过程的实验平台。本文结合新型金属有机框架材料,制作了基于金属有机框架材料的级联长周期光纤光栅气体传感与监测器件,实验结果表明该器件具有应用于气体传感及作为研究新材料的平台方面的应用价值。