超分子离子材料及其制备方法及在制备湿度传感器件中的用途技术

本发明专利技术提供了超分子离子材料及其制备方法及在制备湿度传感器件中的用途，该超分子离子材料具有式I所示的结构，该超分子材料的电流信号随环境湿度不同而发生变化，响应速度非常快且灵敏度非常高，可有效用于构筑一种超快、超高灵敏检测相对湿度的传感器件。

Supramolecular ion materials and their preparation methods and their applications in the preparation of humidity sensors

The invention provides a supramolecular ion material and its preparation method and use thereof in a humidity sensor system, the ion material has structure as shown in formula I, the current signal of the supramolecular materials with humidity change, quick response speed and sensitivity is very high, can be effectively used to build a ultra fast, ultra high sensitive detection sensor relative humidity.

【技术实现步骤摘要】
超分子离子材料及其制备方法及在制备湿度传感器件中的用途
本专利技术涉及材料和湿度检测
，具体的，涉及超分子离子材料及其制备方法及在制备湿度传感器件中的用途，更具体地，涉及具有式I所示结构的超分子离子材料、制备具有式I所示结构的超分子离子材料的方法、具有式I所示结构的超分子离子材料在制备湿度传感器件中的用途、湿度传感器件及湿度检测装置。
技术介绍
湿度，即大气中所含水汽的多少。湿度与人们的日常生活、工农业生产以及环境监测都有着十分密切的关系。对环境湿度的实时监测，不仅可以对环境湿度进行感知，还可以对其进行合理地调节和控制，进而改善人们的生活环境与生产条件。对湿度检测、控制的需要，不断地促进人们对湿度传感器的研究。1938年，Dummore等成功研制了世界上第一个电子式湿度传感器，利用了固体电解质LiCl的电阻值随环境湿度变化而实现湿度的定量监测，将湿度传感器引入了电子时代，但在高湿度环境中使用时，传感器中的电介质在吸水后容易潮解渗出，从而影响传感器原有精度与重现性，缩短其使用寿命。随后出现的半导体陶瓷、聚合物复合材料、金属氧化物、碳纳米材料等湿敏元件进一步推动了湿度测量技术的发展。如今，湿度的监测与控制技术在军事、气象、工业、建筑等领域，已经获得广泛应用。目前，传统湿度传感器的种类较多，根据湿敏材料的不同，大体可分为三大类：电解质型，陶瓷型，聚合物型，其响应机理基本是水分子附着到材料表面后，改变了其表面离子浓度及导电能力，从而实现电流信号变化检测湿度。但是利用这些材料得到的湿度传感器，其性能上往往难以同时满足超快响应(毫秒级)与高灵敏度(S>103)的要求。而近年来各种自动控制系统的快速发展，愈发提高了人们对湿度检测的要求。因而，目前的湿度检测技术仍有待改进。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。本专利技术是基于专利技术人的以下发现和认识而完成的：离子自组装指带相反电荷组装基元之间通过静电相互作用形成超分子离子材料(Supramolecularionicmaterial，SIM)的方式，这意味着可以依据实验目的，从分子层次针对性地设计出目标分子来作为组装基元，为材料来源提供广阔的空间。目前已报导的几种功能化超分子材料被证明可应用于有机电子学、有机光子学、催化、生物传感等领域，而针对湿度传感器件的超分子离子材料尚无报导。专利技术人在探索过程中，意外地发现由碳链连接的咪唑双阳离子基元1,10-二(3-甲基咪唑鎓)癸烷(C10(mim)2)，与具备电化学氧化还原活性的双阴离子基元2,2-联氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)(ABTS)所组成的超分子离子材料，其电流信号随环境湿度不同而发生变化，响应速度非常快且灵敏度非常高，可以有效用于湿度传感器件的制备。有鉴于此，本专利技术的一个目的在于提出一种适用于同时具有超快相应与高灵敏度的湿度传感器件的超分子离子材料及其应用。在本专利技术的第一方面，本专利技术提供了一种超分子离子材料。根据本专利技术的实施例，该超分子离子材料具有式I所示的结构：专利技术人发现，该超分子材料的电流信号随环境湿度不同而发生变化，响应速度非常快且灵敏度非常高，为构筑一种超快、超高灵敏检测相对湿度的传感器件提供了可能，且该超分子离子材料用于制备湿度传感器件，可以实现毫秒级的超快反应，可以用于实时检测呼吸频率，有望用于强侧病人在手术麻醉中以及术后的呼吸频率变化，为医生获得病人体征信息提供参考依据。在本专利技术的第二方面，本专利技术提供了一种制备前面所述的超分子离子材料的方法。根据本专利技术的实施例，该方法包括：将式II所示化合物与式III所示化合物混合，得到式I所示化合物，由碳链连接的咪唑双阳离子基元1,10-二(3-甲基咪唑鎓)癸烷(C10(mim)2，式II所示化合物)，与具备电化学氧化还原活性的双阴离子基元2,2-联氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)(ABTS，式III所示化合物)混合后，基于静电与疏水作用，在水相环境进行离子自组装，即得到超分子离子材料(SIM)。该方法步骤简单、操作容易，且反应条件温和，对设备无特殊要求，能够快速有效地制备前面所述的超分子离子材料，易于实现工业化生产。根据本专利技术的实施例，所述式II所示化合物与式III所示化合物按照摩尔比为(0.5-1.5)：(0.5-1.5)的比例混合。根据本专利技术的实施例，于室温条件下、在水相环境中，将所述式II所示化合物与式III所示化合物混合，并反应1-2小时。根据本专利技术的实施例，所述式II所示化合物是通过以下步骤制备的：使1，10-二溴癸烷与1-甲基咪唑接触，得到粗产物；利用乙酸乙酯将所述粗产物进行萃取，得到水相；利用氢氧根树脂交换柱处理所述水相，并将所得到的产物进行干燥，得到所述式II所示化合物。根据本专利技术的实施例，所述1，10-二溴癸烷与1-甲基咪唑的摩尔比为(0.5-1.5)：(1.5-2.5)。根据本专利技术的实施例，于室温条件将所述1,10-二溴癸烷与1-甲基咪唑混合，并搅拌3-8小时。在本专利技术的第三方面，本专利技术提供了前面所述的超分子离子材料在制备湿度传感器件中的用途。专利技术人发现，前面所述的超分子材料的电流信号随环境湿度不同而发生变化，响应速度非常快且灵敏度非常高，为构筑一种超快、超高灵敏检测相对湿度的传感器件提供改了可能，可以有效用于制备湿度传感器件。在本专利技术的第四方面，本专利技术提供了一种湿度传感器件。根据本专利技术的实施例，该湿度传感器件包括：电极；以及湿度敏感膜层，所述适度敏感膜层设置在所述电极的外表面，且含有前面所述的超分子离子材料。专利技术人发现，该湿度传感器件具有良好的湿度敏感性，电流信号随着环境湿度的变化而变化，且响应时间超快，能够实现毫秒级的相应，且灵敏度超高，可以快速、高灵敏度的检测环境湿度。在本专利技术的第五方面，本专利技术提供了一种湿度检测装置。根据本专利技术的实施例，该湿度检测装置包括：前面所述的湿度传感器件。本领域技术人员可以理解，前面描述的湿度传感器件的所有特征和优点均适用于该湿度检测装置，在此不再一一赘述。附图说明图1显示了根据本专利技术实施例的超分子离子材料粉末的外观图像。图2显示了根据本专利技术实施例的湿度传感器件部分的扫描电子显微镜图像。图3显示了根据本专利技术实施例的湿度传感器件的响应性能谱图，其中，图3(a)为湿度传感器件在相对湿度(RH)86％下的计时电流图，图3(b)为湿度传感器件的湿度响应时间与恢复时间谱图，图3(c)为湿度传感器件与大气中几种主要气体作用的计时电流谱图，图3(d)为湿度传感器件的湿敏稳定性的计时电流图。图4显示了根据本专利技术实施例的湿度传感器件实时记录呼吸行为的谱图，其中，图4(a)为湿度传感器件实时记录人体静态呼吸行为谱图，图4(b)为湿度传感器件实时记录麻醉SD大鼠呼吸行为谱图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。在本专利技术的第一方面，本专利技术提供了一种超分子离子材料。根据本专利技术的实施例，该超分子离子材料具有式I所示的结构：专利技术人发现，该超分子材本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超分子离子材料，其特征在于，具有式I所示的结构：

【技术特征摘要】
1.一种超分子离子材料，其特征在于，具有式I所示的结构：2.一种制备权利要求1所述的超分子离子材料的方法，其特征在于，包括：将式II所示化合物与式III所示化合物混合，得到式I所示化合物，3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述式II所示化合物与式III所示化合物按照摩尔比为(0.5-1.5)：(0.5-1.5)的比例混合。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，于室温条件下、水相环境中，将所述式II所示化合物与式III所示化合物混合，并反应1-2小时。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述式II所示化合物是通过以下步骤制备的：使1，10-二溴癸烷与1-甲基咪唑接触，得到粗产物；利用乙酸乙酯将所述粗产...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛兰群，于萍，颜海龙，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11