一种柔性平面式氨气传感器及其应用制造技术

一种基于GO‑红毛丹状聚苯胺空心球(PANIHs)纳米敏感材料的柔性平面式NH

FLEXIBLE PLANE NH3 GAS SENSOR BASED ON GO-MAODANILINE HOLLOW SPHERE POLYANILINE NANOSENSITIVE MATERIAL AND ITS APPLICATION

A flexible planar NH3 gas sensor based on GO red Mao dan-like polyaniline hollow spheres (PANIHs) nano-sensitive material and its application belong to the technical field of gas sensors. It is composed of a flexible PET substrate and a GO_red-hairy paNIHs nano-sensitive material grown on the surface of PET substrate in situ. A high performance NH3 gas sensor with fast response to NH3 in atmospheric environment at room temperature is developed. The sensitivity of the sensor to 100ppm NH3 is as high as 31.8, and the detection limit can reach 50ppb. The developed sensor also has a fast response recovery rate. In addition, the sensor also shows good selectivity and reproducibility, and has broad application prospects in the field of NH3 room temperature detection in atmospheric environment and flexible electronic devices.

【技术实现步骤摘要】
基于GO-红毛丹状聚苯胺空心球纳米敏感材料的柔性平面式NH3气体传感器及其应用
本专利技术属于气体传感器
，具体涉及一种基于GO-红毛丹状聚苯胺空心球(PANIHs)纳米敏感材料的柔性平面式NH3气体传感器及其在大气环境中室温检测NH3方面的应用。
技术介绍
氨气(NH3)是一种无色但是有刺激性气味的气体，对眼睛和呼吸器官有强烈的腐蚀性。根据国家标准《工作场所有害因素职业接触限值GBZ2-2002》规定，车间NH3最高容许浓度为40ppm。因此，开发出具有高灵敏度，低检测限，可在室温下检测而且价格低廉的NH3气体传感器具有重要的现实意义。事实上，在过去几年中，围绕NH3传感器的研究一直在不断深化，而且已经开发了各种类型的NH3传感器，例如传统的氧化物半导体气体传感器(SnO2、In2O3、Fe2O3、WO3等)和混合电位型气体传感器(氧化锆和Ni3V2O8、TiO2@WO3)。然而，这些材料最大的缺点是制备的传感器通常在十分高的温度下才能对氨气有响应，高的工作温度大大增加了能耗且限制了已经开发的材料的实际应用。目前，基于导电聚合物的NH3传感器也已经被广泛研究，并且在室温检测方面有着巨大的潜力。导电聚苯胺(PANI)具有高导电性、易于合成、成本低廉和环境稳定性好而受到广泛关注，被认为是柔性气体传感器的最佳候选材料。PANI是一种特殊的通过氢离子传导的p型敏感材料，通过与NH3接触使自由氢离子减少而电阻增加，将气体浓度的变化转变为可检测的电信号。聚苯胺与碳材料的复合极大的提高了材料的灵敏度。基于PANI的传感器的性能受到PANI不同的形态结构影响。其中聚苯胺空心球结构(PANIHs)有着巨大的优势，因为其内部的空心结构可以增大比表面积并且缩短电荷和质量传输的扩散长度。氧化石墨烯(GO)作为一种二维碳纳米材料，具有高比表面积，高速电子穿透特性，化学修饰的可能性，固有的柔性特征以及二维共轭的结构，在传感器方面也具有很大的潜力。基于此，本专利技术使用氧化石墨烯与红毛丹状聚苯胺空心球复合材料作为纳米敏感材料开发出的柔性传感器，可以在室温下对NH3表现出较高的灵敏度。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于GO-红毛丹状聚苯胺空心球(PANIHs)纳米敏感材料的NH3传感器及其在大气环境中室温检测NH3方面的应用。该传感器可以在大气环境中室温检测NH3。本专利技术通过原位聚合制备GO-红毛丹状PANIHs混合纳米敏感材料，提高传感器的灵敏度，使传感器可以在室温下进行检测，促进此传感器在气敏检测领域中的实用化。本专利技术所开发的传感器除了具有较高的灵敏度外，还具有较低的检测下限，可检测低至50ppb的NH3，而且展现了非常好的选择性、重复性。本专利技术所述的柔性可弯曲的平面式结构传感器，制作工艺简单，体积小，安全无害，具有重要的潜在应用价值。本专利技术所述的一种基于GO-红毛丹状PANIHs纳米敏感材料的NH3气体传感器，为平面式结构，由柔性PET衬底、原位生长在PET衬底上表面的GO-红毛丹状PANIHs纳米敏感材料组成，PET代表聚对苯二甲酸乙二醇酯；本专利技术所述的一种基于GO-红毛丹状PANIHs纳米敏感材料的NH3气体传感器，由如下步骤制备得到：(1)将0.1～0.5mmol苯胺，0.05～0.5mL、10～30mg/mL磺化聚苯乙烯溶于10～30mL、1M的盐酸中，超声20～40min；(2)将GO加入到步骤(1)的溶液中，使得GO的浓度为0.1～5wt.％，然后超声20～50min；(3)将0.1～0.5mmol的(NH4)2S2O8溶于10～30mL、1M的盐酸中，搅拌20～40min；(4)将步骤(3)所得溶液倒入到步骤(2)的溶液中，然后放入PET衬底，在冰水混合浴中反应1～5h；PET衬底的长度为5～15mm、宽度为5～10mm、厚度为100～200μm；(5)将步骤(4)得到的PET衬底放置在二甲基甲酰胺(DMF)溶液中10～15h，以完全除去磺化聚苯乙烯球，然后置于1M的盐酸中1～10h；(6)将步骤(5)得到的PET衬底在室温中干燥，从而得到基于GO-红毛丹状PANIHs纳米敏感材料的NH3气体传感器。其中磺化聚苯乙烯作为模板，由如下步骤制备得到：(1)将10～50mL苯乙烯、0.1～1gC8H7NaO3、0.01～0.5gNaHCO3溶解在100～500mL去离子水中，50～100℃下搅拌1～5h；(2)将0.1～0.5gK2S2O8加入到步骤(1)的溶液中，搅拌2～10h；(3)将步骤(2)得到的溶液在N2氛围、20～100℃下搅拌10～30h；(4)将步骤(3)所得溶液用水和乙醇交替进行离心洗涤，将得到的离心产物在40～80℃下干燥5～20h；(5)将0.1～0.5g步骤(4)得到的干燥产物溶于1～5mL、质量分数95～98％的H2SO4溶液中，超声1～3h，然后在20～60℃下搅拌6～8h；(6)将步骤(5)得到的溶液用水和乙醇交替离心洗涤，离心产物40～80℃下干燥后得到磺化聚苯乙烯。本专利技术所述气体传感器中，PET衬底是由如下步骤制备得到：(1)将厚度为100～200μm的PET裁成长度为5～15mm、宽度为5～10mm的衬底；(2)将上述PET衬底放到15～30g/LNaOH水溶液中，在50～80℃下搅拌60～100min，然后用去离子水、乙醇依次洗涤后干燥。工作原理：当基于GO-红毛丹状PANIHs纳米敏感材料的NH3传感器置于空气中时，酸化聚苯胺中存在大量的自由氢离子，此时纳米敏感材料的电阻很低。当传感器在室温下接触NH3时，NH3夺取聚苯胺中的自由氢离子，使聚苯胺从导电的亚胺盐改变为本征的亚胺碱，导致电阻增加。在这里我们定义感器的灵敏度为S：S＝Rg/Ra，其中Ra为传感器在空气中的电阻，Rg为传感器接触NH3后的电阻。本专利技术制备的基于GO-红毛丹状PANIHs的NH3传感器具有以下优点：1.通过将GO-红毛丹状PANIHs纳米敏感材料原位聚合到PET衬底上，方法简单，极大的提高了对NH3的灵敏度，具有快速的响应恢复速度，并且可以在室温下检测NH3，在检测含量方面有广阔的应用前景；2.开发的传感器的重复性好，检测下限低，可以达到50ppb；3.本专利技术制备的GO-红毛丹状PANIHs基NH3传感器制备工艺简单，使用的PET衬底，成本低廉。在环境监测方面具有良好的应用前景。附图说明图1(1)：本专利技术制备的基于GO-红毛丹状PANIHs纳米敏感材料的NH3传感器的平面结构示意图；图1(2)：GO-红毛丹状PANIHs纳米敏感材料的FESEM图；图2：本专利技术所述的红毛丹状PANIHs的FESEM图(a)，TEM图(b)，本专利技术所述的GO材料的FESEM图(c)，本专利技术的GO-红毛丹状PANIHs纳米敏感材料的FESEM图(d)图3：对比例1、对比例2、实施例1、实施例2、实施例3、实施例4对10ppmNH3气体的灵敏度图。图4：实施例2在室温下，在0.5～100ppm(上图)及0.05～0.5ppm(上图插图)NH3气氛中灵敏度变化曲线及对比例1在室温下，在0.5～100ppmNH3气氛中灵敏度变化曲线(下图)。图5：对比例1和实施例2在室温下对10ppm的8种不同气体的响应值的对比图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于GO‑红毛丹状聚苯胺空心球纳米敏感材料的柔性平面式NH3气体传感器，由柔性PET衬底、原位生长在PET衬底表面上的纳米敏感材料组成，PET为聚对苯二甲酸乙二醇酯，其特征在于：纳米敏感材料为GO‑红毛丹状聚苯胺空心球纳米敏感材料，且该传感器由如下步骤制备得到，(1)将0.1～0.5mmol苯胺，0.05～0.5mL、10～30mg/mL磺化聚苯乙烯溶于10～30mL、1M的盐酸中，超声20～40min；(2)将GO加入到步骤(1)的溶液中，使得GO的浓度为0.1～5wt.％，然后超声20～50min；(3)将0.1～0.5mmol的(NH4)2S2O8溶于10～30mL、1M的盐酸中，搅拌20～40min；(4)将步骤(3)所得溶液倒入到步骤(2)的溶液中，然后放入PET衬底，在冰水混合浴中反应1～5h；PET衬底的长度为5～15mm、宽度为5～10mm、厚度为100～200μm；(5)将步骤(4)得到的PET衬底放置在DMF溶液中10～15h，以完全除去磺化聚苯乙烯球，然后置于1M的盐酸中1～10h；(6)将步骤(5)得到的PET衬底在室温中干燥，从而得到基于GO‑红毛丹状PANIHs纳米敏感材料的NH3气体传感器。...

【技术特征摘要】
1.一种基于GO-红毛丹状聚苯胺空心球纳米敏感材料的柔性平面式NH3气体传感器，由柔性PET衬底、原位生长在PET衬底表面上的纳米敏感材料组成，PET为聚对苯二甲酸乙二醇酯，其特征在于：纳米敏感材料为GO-红毛丹状聚苯胺空心球纳米敏感材料，且该传感器由如下步骤制备得到，(1)将0.1～0.5mmol苯胺，0.05～0.5mL、10～30mg/mL磺化聚苯乙烯溶于10～30mL、1M的盐酸中，超声20～40min；(2)将GO加入到步骤(1)的溶液中，使得GO的浓度为0.1～5wt.％，然后超声20～50min；(3)将0.1～0.5mmol的(NH4)2S2O8溶于10～30mL、1M的盐酸中，搅拌20～40min；(4)将步骤(3)所得溶液倒入到步骤(2)的溶液中，然后放入PET衬底，在冰水混合浴中反应1～5h；PET衬底的长度为5～15mm、宽度为5～10mm、厚度为100～200μm；(5)将步骤(4)得到的PET衬底放置在DMF溶液中10～15h，以完全除去磺化聚苯乙烯球，然后置于1M的盐酸中1～10h；(6)将步骤(5)得到的PET衬底在室温中干燥，从而得到基于GO-红毛丹状PANIHs纳米敏感材料的NH3气体传感器。2.如权利要求1所述的一种基于GO-红毛丹状聚苯胺空心球纳米敏感材料的柔性平面式NH3气体传感器，其特征在于：磺化聚苯乙烯是由如下步...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢革宇，李思琦，刘方猛，孙鹏，高原，梁喜双，刘凤敏，闫旭，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22