聚苯胺/苝酰亚胺纳米复合材料的设计及氨气敏感性能研究

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氨气(NH3)作为常见的空气污染源之一,不仅会进入人体的呼吸系统危害人类的健康,也是引起雾霾的重要成因。同时,NH3是人体的一种代谢产物存在于呼出的气体中,可作为标志物对多种疾病进行前期筛查。因此制备出高灵敏度的NH3传感器在环境污染检测和疾病监测等领域都具有显著的意义。纯聚苯胺(PANI)材料在NH3检测中存在灵敏度低、响应/恢复时间长和检测限高等缺点。将PANI与其他NH3敏感材料进行复合,利用不同材料间的协同作用可以有效提高氨敏性能。本文首先采用溶剂热法合成酰亚胺位羧基取代的PDI-G和湾位硝基取代的PDI-GN,然后利用原位聚合法和共组装法制备出不同纳米结构的PANI基复合材料(PDI-G)/PANI和(PDI-GN)/PANI。进一步通过SEM、XRD等测试手段对复合材料的微观结构和化学特性进行表征,并重点研究了复合材料的氨敏性能和气敏机理。本文主要研究内容及结果如下:(1)酰亚胺位羧基取代的苝酰亚胺衍生物改性聚苯胺(PDI-G)/PANI复合材料的制备、表征以及氨敏性能的研究。通过敏感性能测试确定出最佳比例的三种复合材料(a-PDI)1(PANI)1、(1D-PDI)0.6(PANI)1和(PDI)1(PANI)1。SEM结果表明,原位聚合法制备的(1D-PDI)0.6(PANI)1复合材料是由表面粗糙的一维纳米棒构成,共组装法制备的(PDI)1(PANI)1复合材料是由宽度为225 nm、长度为1.47μm、表面光滑的纳米带构成。氨敏性能测试发现,(1D-PDI)0.6(PANI)1复合材料传感器对300 ppm NH3的响应值高达37.1,是纯PANI(~7.9)的4.7倍;其对200 ppm NH3的响应/恢复时间为86 s/71 s,相同测试条件下纯PANI需104 s/113 s。另外,复合材料还表现出优异的重复性、选择性、稳定性和较低的检测下限(0.07 ppm)。气敏性能的提升可归结于PANI和PDI-G之间p-n异质结的形成和独特的一维纳米结构的形成。(2)湾位硝基取代的苝酰亚胺衍生物改性聚苯胺(PDI-GN)/PANI复合材料的制备、表征与氨敏性能的研究。首先以PDI-G为原料,在其湾位引入硝基得到PDI-GN。通过敏感性能测试确定出最佳比例的三种复合材料(a-PDI-GN)1(PANI)1、(1D-PDI-GN)1(PANI)1和(PDI-GN)1(PANI)1。SEM结果表明,原位聚合制备的(1D-PDI-GN)1(PANI)1复合材料表现出表面粗糙的一维纳米棒形貌,共组装法制备的(PDI-GN)1(PANI)1复合材料是由宽度为200 nm、长度为3.35μm、表面光滑的纳米带构成。氨敏性能测试发现,(PDI-GN)1(PANI)1复合材料传感器对300 ppm NH3的响应值高达79.7,大约是(1D-PDI)0.6(PANI)1的2倍以及纯PANI的10倍。另外,(PDI-GN)1(PANI)1复合材料传感器对200 ppm NH3的响应/恢复时间为60 s/17 s,而(1D-PDI)0.6(PANI)1和纯PANI的响应/恢复时间分别为86 s/71s和104 s/113 s。气敏性能的提升归因于PANI与PDI-GN之间的协同作用、p-n异质结形成,其次PDI-GN的加入有利于一维纳米结构的形成,其中一维结构有利于电子传输,纳米结构能暴露更多的活性位点。(3)与(PDI-G)/PANI复合材料相比,(PDI-GN)/PANI复合材料具有更高的NH3响应值、更短的响应/恢复时间、更优异的重复性和稳定性。这主要归因于PDI-GN更低的LUMO能量和强吸电子基团硝基的引入,另外(PDI-GN)/PANI复合材料更高的质子化程度也成为提高NH3灵敏度的一大助力。
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