一种氨气传感器及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种氨气传感器及其制备方法与应用。所述氨气传感器包括沿设定方向依次层叠设置的聚偏二氟乙烯层、羧酸掺杂的聚苯胺层及叉指电极层；所述羧酸掺杂的聚苯胺层通过原位聚合沉积于所述聚偏二氟乙烯层表面，所述聚偏二氟乙烯层具有多孔结构。本发明专利技术提供的氨气传感器具有高灵敏度、高选择性、高稳定性的优点；同时制备工艺简单、生产成本低、可大规模生产。生产。生产。

An ammonia sensor and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种氨气传感器及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于气体检测
，具体涉及一种氨气传感器及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]由于日益严重的空气污染问题，高性能气体传感器的发展在过去十年中引起了许多研究人员的关注。在这些有害污染气体中，氨气(NH3)主要来自农业活动和工业生产，同时会形成有毒烟雾，严重影响农作物的生产。此外，氨气的浓度高于10ppm时，可能对人体皮肤、眼睛、喉咙造成极大伤害，甚至致命。而且，由于现代工业生产的大量需求，工业生产中氨气的泄漏会造成很大的安全事故。此外，一些医学研究表明，人体呼吸气体中氨浓度的升高与人体肾脏疾病有关。因此，迫切需要开发一种检测限低(ppb级)、灵敏度/选择性高、长期稳定的新型氨传感器，以保护人体健康和监测空气质量。
[0003]另外，由于人体呼吸气体中反映人体健康状况的相关气体一般具有低浓度和成分复杂的因素，因此对用于人体健康状况预警的气体传感器有高灵敏度和高选择性的要求。为达到工业化生产的目的，此类传感器也要求同时具有高稳定性、低成本、制造简单、可大规模制造等优点。再者，在产品的实际应用中，一般要求可柔性化、低温工作、低功耗、小型化、集成化、无线化等。当前有关氨气检测的敏感材料一般分为四类：金属氧化物、碳管、石墨烯和有机聚合物。其中金属氧化物材料是现在气体检测的常规气敏材料，但是金属氧化物一般需要非常高的工作温度，因此功耗较大，且其探测的浓度大都在ppm级别以上，不适合应用于人体呼吸气体检测方面的可穿戴设备。而碳管和石墨烯材料一般灵敏度较低，选择性较差等缺点。而有机聚合物因具有可室温工作、灵敏度高、制造方法简单、稳定性好等优点，是现在氨气检测方面的重要研究材料。但是一般有机聚合物如聚苯胺，制造传感器的方式是将粉末溶于有机溶剂中(如六氟异丙醇、氮甲基吡咯烷酮)，然后通过滴涂或旋涂等方式覆盖于电极上。此类方法制造的传感器具有灵敏度较小、稳定性差、制造复杂等缺点。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于提供一种氨气传感器及其制备方法与应用，以克服现有技术的不足。
[0005]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
[0006]本专利技术实施例提供了一种氨气传感器，其包括沿设定方向依次层叠设置的聚偏二氟乙烯层、羧酸掺杂的聚苯胺层及叉指电极层；所述羧酸掺杂的聚苯胺层通过原位聚合沉积于所述聚偏二氟乙烯层表面，所述聚偏二氟乙烯层具有多孔结构。
[0007]本专利技术实施例还提供了前述氨气传感器的制备方法，其包括：
[0008]将聚偏二氟乙烯多孔膜置于包含羧酸、苯胺、硫酸铵和水的混合溶液中发生原位聚合反应，之后经热处理，从而在所述聚偏二氟乙烯多孔膜表面形成羧酸掺杂的聚苯胺层；
[0009]以及，在所述羧酸掺杂的聚苯胺层表面沉积叉指电极层，从而获得氨气传感器。
[0010]本专利技术实施例还提供了前述氨气传感器于检测氨气中的用途。
[0011]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0012](1)本专利技术制备的氨气传感器具有高灵敏度、高选择性、高稳定性；
[0013](2)本专利技术可以通过调控羧酸(例如柠檬酸)、苯胺和过硫酸铵的浓度，来调节羧酸掺杂的聚苯胺层的导电性和气敏性能，另外，也可以通过调控后期热处理的温度和时间来调控羧酸掺杂的聚苯胺层的孔隙率来增强气敏性能，本专利技术具有小型化，室温工作的优势，从而可降低功耗，同时本专利技术具有可规模化生产，低成本的优势，有利于工业化生产；此外本专利技术剩余溶液经过滤、干燥后可得到聚苯胺，减少浪费，节约成本，同时羧酸掺杂剂对环境友好，不会造成二次污染。
[0014](3)本专利技术的制备方法简单，成本低廉，反应条件温和，可控性好，有利于工业化生产。
附图说明
[0015]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0016]图1是本专利技术实施例1制备的氨气传感器的光学图片；
[0017]图2是本专利技术实施例1中采用不同浓度的柠檬酸制备的氨气传感器对氨气的气敏性能图；
[0018]图3是本专利技术实施例1中采用不同浓度的苯胺制备的氨气传感器对氨气的气敏性能图；
[0019]图4是本专利技术实施例1制备的氨气传感器对不同浓度氨气响应测试图；
[0020]图5是本专利技术实施例1制备的氨气传感器对1ppm氨气的响应时间和恢复时间图；
[0021]图6是本专利技术实施例1制备的氨气传感器弯折次数对气敏性能的测试图；
[0022]图7是本专利技术实施例1制备的氨气传感器对不同种类气体的选择性测试图；
[0023]图8是本专利技术实施例1制备的氨气传感器的稳定性图；
[0024]图9是本专利技术对比例1制备的氨气传感器对1ppm氨气的响应时间和恢复时间图；
[0025]图10是本专利技术对比例1本对比例制备的氨气传感器的稳定性图。
具体实施方式
[0026]鉴于现有技术的缺陷，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案，下面将对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0027]具体的，作为本专利技术技术方案的一个方面，其所涉及的一种氨气传感器包括沿设定方向依次层叠设置的聚偏二氟乙烯层、羧酸掺杂的聚苯胺层及叉指电极层；所述羧酸掺杂的聚苯胺层通过原位聚合沉积于所述聚偏二氟乙烯层表面，所述叉指电极层设置于羧酸掺杂的聚苯胺层的表面，所述聚偏二氟乙烯层具有多孔结构。
[0028]在一些优选实施方案中，所述羧酸掺杂的聚苯胺层中使用的羧酸包括柠檬酸、草
酸、苹果酸、酒石酸中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
[0029]进一步地，所述羧酸为柠檬酸。
[0030]在一些优选实施方案中，所述羧酸掺杂的聚苯胺层的孔隙率为0.6％～1％。
[0031]在一些优选实施方案中，所述羧酸掺杂的聚苯胺层的电导率为10
‑7～10
‑2S/cm。
[0032]在一些优选实施方案中，所述聚偏二氟乙烯层的厚度为80～100μm。
[0033]在一些优选实施方案中，所述羧酸掺杂的聚苯胺层的厚度为5～20nm。
[0034]在一些优选实施方案中，所述叉指电极层的厚度为0.5～2μm。
[0035]在一些优选实施方案中，所述叉指电极层的导电材料包括银导电油墨和/或铜导电油墨。
[0036]本专利技术实施例的另一个方面还提供了前述氨气传感器的制备方法，其包括：
[0037]将聚偏二氟乙烯多孔膜置于包含羧酸、苯胺、硫酸铵和水的混合溶液中发生原位本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氨气传感器，其特征在于，包括沿设定方向依次层叠设置的聚偏二氟乙烯层、羧酸掺杂的聚苯胺层及叉指电极层；所述羧酸掺杂的聚苯胺层通过原位聚合沉积于所述聚偏二氟乙烯层表面，所述聚偏二氟乙烯层具有多孔结构。2.根据权利要求1所述的氨气传感器，其特征在于：所述羧酸包括柠檬酸、草酸、苹果酸、酒石酸中的任意一种或两种以上的组合；优选为柠檬酸；和/或，所述羧酸掺杂的聚苯胺层的孔隙率为0.6％～1％；和/或，所述羧酸掺杂的聚苯胺层的电导率为10
‑7～10
‑2S/cm。3.根据权利要求1所述的氨气传感器，其特征在于：所述聚偏二氟乙烯层的厚度为80～100μm；和/或，所述羧酸掺杂的聚苯胺层的厚度为5～20nm；和/或，所述叉指电极层的厚度为0.5
‑
2μm。4.如权利要求1
‑
3中任一项所述氨气传感器的制备方法，其特征在于包括：将聚偏二氟乙烯多孔膜置于包含羧酸、苯胺、硫酸铵和水的混合溶液中发生原位聚合反应，之后经热处理，从而在所述聚偏二氟乙烯多孔膜表面形成羧酸掺杂的聚苯胺层；以及，在所述羧酸掺杂的聚苯胺层表面沉积叉指电极层，从而获得氨气传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈文锋，吕大伍，谭瑞琴，宋伟杰，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：