造纸工业与国民经济的发展息息相关,同时也是主要的污染大户。然而,目前从全球来看,造纸工业污染气体的研究往往被研究学者所忽略。另外,造纸厂空气成分复杂,使人们对其进行检测存在盲目性,导致存在目标不明确、检测方法繁琐、检测结果滞后等问题。因此,基于对造纸污染气体的成分及含量的系统认知,研究以二氧化钛纳米管阵列膜为气敏材料的气敏传感器,以实现对造纸污染气体快速、简便准确的测量,为造纸环境污染气体提供监控信息,并为造纸行业的绿色生产和可持续发展提供重要的理论依据和技术支持。本论文在以下几个方面进行了探索研究:本文首先对制浆造纸工业污染气体的现状进行分析。根据广东省内5家制浆造纸厂的不同产品及生产工艺,分别以蒸煮、碱回收、漂白、纸机湿部、涂布、污水处理等生产工段作为采样点,针对不同造纸环境污染气体种类,确立不同气态样品的紫外分光光度计、气相色谱质谱仪(GC-MS)等检测条件,分析污染气体的种类及含量。研究结果表明:总观5家制浆造纸厂,污染气体的最高平均含量均出现在制浆厂,说明制浆厂的空气污染情况比造纸厂更为严重。其次,5家制浆造纸厂均有两个共同的工段,其中纸机湿部工段最严重的气态污染物是挥发性有机物,污水处理工段最严重的气态污染物则是硫化氢。因此,为了实现快速、便捷、准确、稳定地测量制浆造纸工业环境空气中主要污染气体含量,本论文基于对制浆造纸工业气态污染现状的认知,进一步开展了二氧化钛纳米管阵列膜气敏材料制备,及其气敏传感器的性能和作用机制研究。通过对反应体系中阳极氧化条件的优化,确定最佳制备条件:以纯度为99.7%、厚度为0.01 mm的钛箔为原材料,电解液为含有0.55 wt%氟化铵和20 wt%去离子水的乙二醇溶液,在室温下,以30 V电压阳极氧化2 h,450℃保温2 h后,实现以一步阳极氧化法制备出可剥离的二氧化钛纳米管阵列膜。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)等方法对制备的纳米管阵列膜表征,结果显示,该方法制得锐钛矿相、外观透明、可剥离的二氧化钛纳米管阵列膜,薄膜中的二氧化钛纳米管平均管径为110 nm,平均管壁厚16 nm,管长为3.8μm。另外,采用浸渍法,分别制备出不同金属离子掺杂的二氧化钛纳米管阵列膜。基于对造纸环境污染气体的分析结果,针对造纸污染气体主要成分之一:硫化氢为检测目标气体。然后以平面陶瓷作为负载基质,以剥离的二氧化钛纳米管阵列膜作为气敏薄膜制备气敏传感器,研究其气敏性能。测试结果显示,气敏传感器最佳工作温度为300℃,其响应值与硫化氢气体的浓度存在良好的数学相关性(检测1-50 ppm硫化氢时,传感器响应值为4.5-26.2)。同时,传感器具有良好的响应及恢复性能(检测50 ppm硫化氢时,响应及恢复时间分别为22 s与6 s)、气体选择性、稳定性和重复性。另外,通过研究不同种类金属离子掺杂对二氧化钛纳米管阵列膜气敏性能影响,发现当钴离子掺杂浓度为0.1 M时,传感器对硫化氢的灵敏度最高,工作温度为300℃时,对50 ppm硫化氢的灵敏度值达到199.16,比未掺杂时提高了6.6倍。通过结构表征手段的分析,发现钴离子取代钛离子进入二氧化钛晶格内部。最后结合上述气敏性能研究结果,研究二氧化钛纳米管阵列膜传感器的响应机理、环境湿度影响机理、选择性机理等。同时,基于密度泛函理论,采用Material Stusio模拟软件,分析钴、铁、锌三种金属离子掺杂前后二氧化钛晶体结构、带隙、态密度等参数的变化。研究表明,钴离子及铁离子掺杂后能带结构中均出现了杂质能级,使掺杂后的二氧化钛禁带宽度从2.285 e V分别减小至1.418 e V及1.425 e V。钴离子掺杂后,禁带宽度最小,有利于二氧化钛电子-空穴对的分离,以促进二氧化钛表面超氧离子的生成,提高硫化氢气体与超氧离子的反应效率,从而有效提升二氧化钛纳米管阵列膜的气敏性能。