一种无酸掺杂的聚苯胺复合膜氨气传感器及其制备方法技术

本发明专利技术属于气体传感器领域，涉及氨气(NH3)传感器，具体提供一种无酸掺杂的聚苯胺复合膜氨气传感器及其制备方法；该氨气传感器包括基底1、叉指电极2及气敏薄膜3，叉指电极设置于基底上，气敏薄膜覆盖于叉指电极上，气敏薄膜为聚苯胺/磷酸锆复合薄膜；复合薄膜中磷酸锆呈纳米片结构，磷酸锆生长在聚苯胺纳米纤维表面并包覆聚苯胺纳米纤维。本发明专利技术采用固体酸α

【技术实现步骤摘要】
一种无酸掺杂的聚苯胺复合膜氨气传感器及其制备方法


[0001]本专利技术属于气体传感器领域，涉及氨气(NH3)传感器，具体提供一种无酸掺杂的聚苯胺复合膜氨气传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]在工业生产生活中，有大量有毒有害气体产生；其中，氨气是一种常见有毒有害气体，高浓度氨气会危害人体健康、甚至导致死亡；同时，作为人体呼出气，氨气是临床无痛疾病诊断的典型标志物。因此，研制高灵敏度、宽检测范围、低检出限的氨气(NH3)传感器就显得十分重要。
[0003]目前，金属氧化物、导电聚合物(CPs)和碳基材料已被开发用于制备NH3传感器；其中，CPs在室温NH3传感器的研制中得到了广泛的研究。聚苯胺(PANI)作为典型的CPs之一，因其对NH3具有优异的选择性而被认为是一种很有前途的NH3材料；然而，本征态的聚苯胺无法导电，只有通过酸掺杂后电导率才会大幅度提升。因此，PANI及其复合薄膜的合成过程都需要酸性介质诱导聚合物生长；盐酸为质子酸，在反应过程中提供聚合反应所需的酸性环境和作为质子源，制备过程中也可用其它酸替代。如申请号为201910445405.9的中国专利中公开了一种Ti3C2T
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/聚苯胺复合薄膜氨气传感器及其制备方法与应用，该器件通过将衬底放入添加有盐酸的苯胺单体/Ti3C2T
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混合溶液中生长成膜。又如申请号为202110860827.X的中国专利中公开了一种碳纳米管掺杂的聚苯胺传感器、制备方法及检测氨气的方法，碳纳米管掺杂的聚苯胺是通过在酸性条件下苯胺单体、碳纳米管与氧化剂混合发生原位聚合反应制备获得，酸性条件为一定浓度的盐酸。所述两种方法制备得到的传感器均具有良好性能，在聚合反应中都需要酸掺杂，利用酸掺杂使PANI及其复合薄膜获得较高的导电率，但是，酸性介质易挥发，易发生去掺杂，同时不利于安全；因此，需要寻求一种无酸掺杂的聚苯胺复合膜氨气传感器及其制备方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对现有技术中酸掺杂带来的诸多问题，提供一种无酸掺杂的聚苯胺复合膜氨气传感器及其制备方法。本专利技术将片状磷酸锆与苯胺进行复合，磷酸锆同时作为固体酸提供酸性环境诱导聚合物自聚合生长，制备得到聚苯胺/磷酸锆复合薄膜，并将其作为气敏薄膜形成高性能氨气传感器；本专利技术排除了传统聚苯胺基气敏传感器需要酸性介质诱导聚合物生长的缺陷，能够减少制备过程中产生的有毒物质，同时降低制备成本。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]一种无酸掺杂的聚苯胺复合膜氨气传感器，包括：基底1、叉指电极2及气敏薄膜3，其中，叉指电极设置于基底上，气敏薄膜覆盖于叉指电极上；其特征在于，所述气敏薄膜为聚苯胺/磷酸锆复合薄膜。
[0007]进一步的，所述气敏薄膜的厚度为100～500nm。
[0008]进一步的，所述聚苯胺/磷酸锆复合薄膜中，磷酸锆呈纳米片结构，磷酸锆生长在
聚苯胺纳米纤维表面并包覆聚苯胺纳米纤维。
[0009]进一步的，所述基底采用聚酰亚胺基底、硅基底或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
[0010]进一步的，所述表面叉指电极采用的材料为金、银或铜。
[0011]进一步的，所述无酸掺杂的聚苯胺复合膜氨气传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0012]在基底上表面制备形成叉指电极；
[0013]将基底置于0.5～1.5％的聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液中浸泡10～20min，取出后用去离子水滴洗；再将基底置于1～3mg/mL的聚苯乙烯磺酸钠溶液中浸泡10～20min，取出后用去离子水滴洗；最后采用氮气吹干；
[0014]在30mL去离子水中加入磷酸锆颗粒，搅拌形成0.5～2.5％磷酸锆分散液；在磷酸锆分散液中加入90～110μL的1.022g/mL的苯胺溶液，并搅拌形成混合溶液；再于7～10℃的冰浴环境下将10mL的0.05～0.2M的过硫酸铵溶液滴加到混合溶液中，并搅拌40～80min，形成磷酸锆
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聚苯胺悬浮液；将基底置于磷酸锆
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聚苯胺悬浮液浸泡10～20min，取出后用去离子水滴洗；最后采用氮气吹干，得到无酸掺杂的聚苯胺复合膜氨气传感器。
[0015]进一步的，叉指电极采用热蒸发或喷墨打印制备。
[0016]基于上述技术方案，本专利技术的有益效果在于：
[0017]传统聚苯胺基气敏传感器制备过程中需要酸性介质参与反应以诱导聚合物生长，在制备过程中会产生有毒有害废液；针对该问题，本专利技术提供一种无酸掺杂的聚苯胺复合膜氨气传感器及其制备方法，采用片状磷酸锆与聚苯胺复合形成气敏薄膜，进而制备得到高性能氨气传感器，改进了酸掺杂导致的缺点；具体而言，磷酸锆作为一种固体酸，在与聚苯胺复合过程中同时为聚合物自聚合生长提供酸性环境，不需要额外加入盐酸或其他酸性溶液；综上，本专利技术提供了一种无酸掺杂的高性能氨气传感器，且实现了更温和、安全的制备工艺，同时大大降低制备成本。
附图说明
[0018]图1为本专利技术中无酸掺杂的聚苯胺复合膜氨气传感器的结构示意图；其中，1为基底，2为叉指电极，3为气敏薄膜。
[0019]图2为本专利技术实施例中制备得聚苯胺/磷酸锆复合薄膜的SEM图。
[0020]图3为本专利技术实施例中制备得磷酸锆的SEM图。
[0021]图4为本专利技术实施例中制备得聚苯胺/磷酸锆复合薄膜氨气传感器对0.05～50ppm氨气的实时电阻变化曲线图。
[0022]图5为本专利技术实施例中制备得聚苯胺/磷酸锆复合薄膜氨气传感器对10ppm氨气在5个周期内动态电阻变化曲线。
具体实施方式
[0023]为使本专利技术的目的、技术方案与有益效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细说明。
[0024]本实施例提供一种无酸掺杂的聚苯胺复合膜氨气传感器及其制备方法，所述聚苯胺复合膜氨气传感器的结构如图1所示，包括：基底1、叉指电极2及气敏薄膜3，其中，叉指电极设置于基底上，气敏薄膜覆盖于叉指电极上；所述基底采用聚酰亚胺衬底，所述叉指电极
采用金电极；所述气敏薄膜为聚苯胺/磷酸锆复合薄膜，其厚度为100
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500nm。与现在技术中HCl掺杂相比，本实施例采用固体酸磷酸锆，在更简单、温和的工艺条件下实现磷酸锆与聚苯胺(PANI)复合得到聚苯胺/磷酸锆复合薄膜，并将其作为气敏薄膜形成氨气传感器，器件性能出色；同时，复合过程中不额外添加盐酸或其他酸性溶液，减少有毒试剂及腐蚀性试剂的使用，且工艺流程简单、制备成本低。
[0025]上述无酸掺杂的聚苯胺复合膜氨气传感器的制备过程如下：
[0026]步骤1.将聚酰亚胺衬底切割成合适大小，通过洗洁精、去离子水、丙酮、乙醇、去离子水依次清洗，并于35℃下干燥备用；
[0027]步骤2.在聚酰亚胺衬底上表面通过热蒸发方法制备得到金叉指电极；
[0028]步骤3.将经步骤2的聚酰亚胺衬底于1％的聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无酸掺杂的聚苯胺复合膜氨气传感器，包括：基底1、叉指电极2及气敏薄膜3，其中，叉指电极设置于基底上，气敏薄膜覆盖于叉指电极上；其特征在于，所述气敏薄膜为聚苯胺/磷酸锆复合薄膜。2.按权利要求1所述无酸掺杂的聚苯胺复合膜氨气传感器，其特征在于，所述气敏薄膜的厚度为100～500nm。3.按权利要求1所述无酸掺杂的聚苯胺复合膜氨气传感器，其特征在于，所述聚苯胺/磷酸锆复合薄膜中，磷酸锆呈纳米片结构，磷酸锆生长在聚苯胺纳米纤维表面并包覆聚苯胺纳米纤维。4.按权利要求1所述无酸掺杂的聚苯胺复合膜氨气传感器，其特征在于，所述基底采用聚酰亚胺基底、硅基底或聚对苯二甲酸乙二醇酯。5.按权利要求1所述无酸掺杂的聚苯胺复合膜氨气传感器，其特征在于，所述表面叉指电极采用的材料为金、银或铜。6.按权利要求1所述无酸掺杂的聚苯胺复合膜氨气传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在基底上表面制备形成叉指电极；将基底置于...

【专利技术属性】
技术研发人员：太惠玲，张搏宇，李娟，段晓辉，段再华，袁震，蒋亚东，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：