毛细微通道结构聚苯胺传感器的性能研究

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聚苯胺(Polyaniline,PANI)是一种较为常见的导电高分子聚合物,与其它导电聚合物相比,因其制备工艺简单、单体成本低和电阻率可调节而受到广泛关注。PANI还具有独特的氧化还原性和可逆的掺杂/去掺杂特性,常用作氨气(Ammonia,NH3)传感材料。然而,纯PANI敏感材料具有灵敏度低、响应/恢复时间长和稳定性差等缺点,需要对其进行掺杂或者改性提高传感性能。此外,器件结构对PANI传感器的性能也有较大的影响。本文对PANI的掺杂和改性、毛细微通道结构传感器的制备、气敏传感性能等展开了研究,主要工作如下:(1)采用动态液相沉积方法(Dynamic Liquid Phase Deposition,DLPD)在玻璃毛细微通道管的内表面上生长Ui O-66改性的PANI敏感膜材料,并制作了PANI/Ui O-66毛细微通道管NH3传感器。扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)和氮气吸附等温线(Brunauer-Emmett-Teller,BET)研究表明,由Ui O-66修饰的PANI呈现高比表面积的蓬松状纳米纤维结构(比表面积为未修饰PANI的3.87倍),具有更多的活性位点,有助于改善毛细管传感器的NH3传感性能。对于100 ppm的NH3,该传感器具有高达2540%的气体响应;对10 ppb NH3的气体响应可以达到25%,而且具有较短的响应/恢复时间(25 s/14s)。此外,传感器的工作电压为5 V,工作电流约为5-50μA,功耗较低,容易集成到小型传感检测系统中。(2)通过氧化聚合方法制备了Ag2S纳米颗粒掺杂的PANI材料,并成功沉积在聚醚醚酮(Poly(ether-ether-ketone),PEEK)塑料毛细微通道管的内表面上。使用PEEK塑料毛细管作为传感器结构管可以简化衬底表面的预处理工艺并提高衬底的可加工性,同时其还有构筑柔性传感器的潜力。材料的微观形貌和结构研究表明,Ag2S的引入可以调控PANI的微观形貌,PANI/Ag2S膜材料具有纳米纤维状结构,而且纤维表面还具有较多“毛刺”微结构,有助于增大敏感材料的表面积及活性位点数量。传感性能分析表明,Ag2S加入量为10 wt%的PANI/Ag2S膜材料的NH3传感性能最佳,在50 ppm NH3条件下响应值可以达1320%,约为未掺杂Ag2S的PANI传感器的4倍。(3)自主设计并用3D打印工艺制备出了具有不同形状和数量的毛细微通道阵列结构,并在其内表面上生长了PANI/Ui O-66敏感膜材料。NH3传感性能研究表明,微通道芯径的变化、微通道的数量和长度都会影响NH3传感的响应性能,其中10 mm长3通道台阶型变径传感器对50 ppm NH3的响应达到1255%,较适合用作小型化集成设备。此外,在检测期对毛细微通道阵列结构进行排空气处理可以将响应/恢复时间分别缩短30 s和5 s,而在非检测期对毛细微通道阵列结构进行排空气处理可将传感器稳定性由7天提高到21天以上。
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