聚苯胺空心球阵列薄膜气敏元件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种聚苯胺空心球阵列薄膜气敏元件及其制备方法。气敏元件为附有电极的衬底上覆有一层以上的聚苯胺空心球阵列组成的聚苯胺薄膜，空心球的直径为350‑1000nm；方法为先将苯胺、质子酸和过硫酸铵加入去离子水中配制聚合反应溶液，再将聚苯乙烯胶体球自组装成单层胶体晶体模板后置于去离子水表面，接着，先使用附有电极的衬底捞取单层胶体晶体模板后干燥，再将得到的其上覆有胶体晶体模板的衬底置于聚合反应溶液中浸泡，得到其上依次覆有胶体晶体模板和聚苯胺的衬底，之后，先重复捞取后干燥并浸泡的过程0次以上，再将其置于二氯甲烷溶剂中去除聚苯乙烯胶体球，制得目的产物。它可极易于商业化地广泛应用于对三甲胺气体的高灵敏度检测。

【技术实现步骤摘要】
聚苯胺空心球阵列薄膜气敏元件及其制备方法
本专利技术涉及一种气敏元件及制备方法，尤其是一种聚苯胺空心球阵列薄膜气敏元件及其制备方法。
技术介绍
三甲胺是国家恶臭污染控制的主要对象之一，其浓的水溶液能够引起皮肤的剧烈疼痛。人类若长时间地暴露于三甲胺气体，会产生呕吐眩晕，严重时会导致昏迷。在微生物和酶的作用下，各种肉制品都会产生三甲胺，随着食物的新鲜度降低，三甲胺的含量会逐渐增加。人们可以通过检测三甲胺含量，来判断食物的新鲜度。因此，对三甲胺气体高灵敏度检测材料的研发已成为重要的研究课题，如中国专利技术专利申请CN103063705A于2013年4月24日公布的一种三甲胺气敏传感器及其制备方法。该专利技术专利申请中提及的气敏传感器为附有电极的Al2O3陶瓷管上覆有气敏膜，其中的气敏膜由SnO2和占SnO2摩尔质量0.5-5％的Eu5+或La5+组成；制备方法为先使用水热法获得纳米SnO2，再掺杂一定量的稀土元素制备气敏材料，之后，先将气敏材料涂敷在Al2O3陶瓷管的表面制成气敏电极管，再将其置于400-500℃下退火2-4小时，得到产物。这种产物虽可用于对三甲胺的检测，却和其制备方法都存在着不足之处，首先，产物的检测灵敏度不高，仅为8-10ppm；其次，产物检测三甲胺气体时的工作温度高达150-250℃；最后，制备方法既无法精确地控制气敏材料的薄膜厚度，又需高温退火，还工艺繁琐、成本高，更不能获得更高的三甲胺检测灵敏度的产物。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种具有较高三甲胺气体检测灵敏度的聚苯胺空心球阵列薄膜气敏元件。本专利技术要解决的另一个技术问题为提供一种上述聚苯胺空心球阵列薄膜气敏元件的制备方法。为解决本专利技术的技术问题，所采用的技术方案为：聚苯胺空心球阵列薄膜气敏元件包括附有电极的衬底，特别是，所述附有电极的衬底上覆有聚苯胺薄膜，所述聚苯胺薄膜由一层以上的聚苯胺空心球阵列组成；所述组成空心球阵列的空心球的球直径为350-1000nm。作为聚苯胺空心球阵列薄膜气敏元件的进一步改进：优选地，聚苯胺薄膜由1-5层的聚苯胺空心球阵列组成。优选地，单层聚苯胺空心球阵列组成的聚苯胺薄膜的电阻率为1～50Ω·m。优选地，附有电极的衬底的形状为平面，或曲面，或管状。为解决本专利技术的另一个技术问题，所采用的另一个技术方案为：上述聚苯胺空心球阵列薄膜气敏元件的制备方法包括模板法，特别是主要步骤如下：步骤1，先将苯胺、质子酸和过硫酸铵加入去离子水中，配制苯胺、质子酸和过硫酸铵的摩尔比为0.02-0.03mol/L：0.02-0.03mol/L：0.02-0.03mol/L的聚合反应溶液，再将球直径为350-1000nm的聚苯乙烯胶体球自组装成单层胶体晶体模板后，置于去离子水表面；步骤2，先使用附有电极的衬底捞取漂浮在去离子水表面的单层胶体晶体模板后，将其置于110-120℃下干燥至少20min，得到其上覆有胶体晶体模板的衬底，再将其上覆有胶体晶体模板的衬底置于聚合反应溶液中浸泡至少20h，得到其上依次覆有胶体晶体模板和聚苯胺的衬底；步骤3，先重复步骤2的次数为0次以上，再将其置于二氯甲烷溶剂中去除聚苯乙烯胶体球，制得聚苯胺空心球阵列薄膜气敏元件。作为聚苯胺空心球阵列薄膜气敏元件的制备方法的进一步改进：优选地，质子酸为柠檬酸、水杨酸、草酸、盐酸中的一种或两种以上的混合物。优选地，附有电极的衬底的形状为平面，或曲面，或管状。优选地，重复步骤2的次数为1-4次。相对于现有技术的有益效果是：其一，对制得的目的产物分别使用扫描电镜、傅立叶红外光谱仪和电阻测试仪进行表征，由其结果可知，目的产物为覆于附有电极的衬底上的薄膜；其中，薄膜由一层以上的空心球阵列组成，组成空心球阵列的空心球的球直径为350-1000nm。薄膜的成分为聚苯胺。薄膜的电阻率为1～50Ω·m。这种由聚苯胺空心球阵列组装成的目的产物，既由于聚苯胺具有探测氨气的性能，而三甲胺有着与氨气相似的化学结构，又因聚苯胺作为气敏材料时，具有稳定性好、室温工作的特质，还由于空心球阵列的比表面积较大，利于促进待测气体于薄膜表面的吸附和扩散，从而极有利于提高目的产物对待测气体检测的灵敏度、响应和恢复时间。其二，将制得的目的产物作为气敏元件，经对三甲胺气体进行不同浓度下的多次多批量的测试，当被测气体三甲胺的浓度低至100ppb时，仍能将其有效地检测出来。目的产物对三甲胺气体浓度1-50ppm的响应速度≤43s、恢复时间≤294s，工作温度为室温，其检测的稳定性、可逆性和重复性都非常的好。其三，制备方法简单、科学、高效。不仅制得了具有较高三甲胺气体检测灵敏度的目的产物——聚苯胺空心球阵列薄膜气敏元件，还使其具有了较快的响应速度和恢复时间，以及可于室温下工作，更有着薄膜的厚度均一，且可精确控制，不需高温退火——节能，以及工艺简便、制备成本低的特点；从而使目的产物极易于商业化地广泛应用于对三甲胺气体的高灵敏度检测。附图说明图1是对制备方法制得的目的产物使用扫描电镜(SEM)进行表征的结果之一。SEM图像显示出目的产物由空心球阵列组成。图2是对制得的目的产物使用傅立叶红外光谱(FTIR)仪进行表征的结果之一。FTIR谱图表明目的产物具有聚苯胺的分子结构。图3是将图1所示的目的产物置于不同浓度下的三甲胺气体中测得的响应与三甲胺浓度关系曲线图。测试的条件为：目的产物两端的测试电压恒定为10V，工作温度为室温。由图3可看出，目的产物对浓度范围1-50ppm内的三甲胺具有很好的响应。图4是将图1所示的目的产物置于浓度为100～500ppb的三甲胺气体中测得的目的产物对三甲胺气体的连续性测试图。测试的条件为连续注入100ppb三甲胺气体5次，其它条件同图3。由图4可看出，目的产物对三甲胺气体的检测灵敏度可达100ppb。图5是将图1所示的目的产物置于浓度为10ppm的不同气体中，测得的目的产物的选择特异性结果图。由图5可看出，目的产物对三甲胺的灵敏度最高。图6是目的产物对1-50ppm三甲胺气体的响应和恢复时间测试图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的优选方式作进一步详细的描述。首先从市场购得或自行制得：苯胺；作为质子酸的柠檬酸、水杨酸、草酸和盐酸；过硫酸铵；去离子水；商业化单分散的球直径为350-1000nm的聚苯乙烯胶体球；附有电极的衬底，其形状为平面、或曲面、或管状；二氯甲烷。接着，实施例1制备的具体步骤为：步骤1，先将苯胺、质子酸和过硫酸铵加入去离子水中，配制苯胺、质子酸和过硫酸铵的摩尔比为0.02mol/L：0.03mol/L：0.02mol/L的聚合反应溶液；其中，质子酸为柠檬酸。再将球直径为350nm的聚苯乙烯胶体球自组装成单层胶体晶体模板后，置于去离子水表面。步骤2，先使用附有电极的衬底捞取漂浮在去离子水表面的单层胶体晶体模板后，将其置于110℃下干燥30min；其中，附有电极的衬底的形状为平面，得到其上覆有胶体晶体模板的衬底。再将其上覆有胶体晶体模板的衬底置于聚合反应溶液中浸泡20h，得到其上依次覆有胶体晶体模板和聚苯胺的衬底。步骤3，先重复步骤2的次数为0次，再将其置于二氯甲烷溶剂中去除聚苯乙烯胶体球，制得近似于图1所示，以及如图2、图3、图4、图5和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚苯胺空心球阵列薄膜气敏元件，包括附有电极的衬底，其特征在于：所述附有电极的衬底上覆有聚苯胺薄膜，所述聚苯胺薄膜由一层以上的聚苯胺空心球阵列组成；所述组成空心球阵列的空心球的球直径为350‑1000nm。

【技术特征摘要】
1.一种聚苯胺空心球阵列薄膜气敏元件，包括附有电极的衬底，其特征在于：所述附有电极的衬底上覆有聚苯胺薄膜，所述聚苯胺薄膜由一层以上的聚苯胺空心球阵列组成；所述组成空心球阵列的空心球的球直径为350-1000nm。2.根据权利要求1所述的聚苯胺空心球阵列薄膜气敏元件，其特征是聚苯胺薄膜由1-5层的聚苯胺空心球阵列组成。3.根据权利要求1所述的聚苯胺空心球阵列薄膜气敏元件，其特征是单层聚苯胺空心球阵列组成的聚苯胺薄膜的电阻率为1～50Ω·m。4.根据权利要求1所述的聚苯胺空心球阵列薄膜气敏元件，其特征是附有电极的衬底的形状为平面，或曲面，或管状。5.一种权利要求1所述聚苯胺空心球阵列薄膜气敏元件的制备方法，包括模板法，其特征在于主要步骤如下：步骤1，先将苯胺、质子酸和过硫酸铵加入去离子水中，配制苯胺、质子酸和过硫酸铵的摩尔比为0.02-0.03mol/L：0.02-0.03mol/L：0.02-0.03mol/L的聚合...

【专利技术属性】
技术研发人员：段国韬，刘强，苏星松，周飞，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34