离子共轭克酮酸衍生物材料的传感性能研究

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随着工农业的快速发展,大气污染问题日益严重,人们迫切地需要提高对常见有毒气体污染物的检测能力。目前商用传感器主要是基于金属氧化物的电阻式传感器,但是这类传感器通常工作温度高,灵敏度低,选择性差。有机共轭材料由于结构可设计性强,分子间相互作用力适中,骨架导电性易受调制等优势引起了研究人员的广泛关注。含有共轭双离子结构的克酮酸衍生物具有独特的D-A-D(A:电子受体,此处为缺电子的五元环中心,D:电子供体,此处为富电子基团)结构,且摩尔吸光系数高、化学/光稳定性强、在近红外区有尖锐而强烈的吸收峰,这使得其在生物分子标记、光学材料等方面有着广泛的应用。然而,其在电阻式传感器中的研究尚未被开发。由于传感器件与光电器件在活性材料结构及导电性的要求上具有一定的相似性,因此,受这类有机物的启发,本论文将其应用到电阻式传感器的研究中。本论文设计合成了一系列克酮酸衍生物用作传感材料,考察并优化其对二氧化氮的传感性能,为克酮酸衍生物材料中作为传感器走向实际应用奠定了良好的基础。主要内容如下:(1)设计合成了不同取代位置的两种克酮酸衍生物,DFT(密度泛函理论)计算结果表明,邻位取代的克酮酸衍生物与二氧化氮之间具有更好的电荷转移效果以及更高的能量收益,但是实验结果表明间位取代的克酮酸衍生物具有更好的传感性能。这主要是由于间位取代的克酮酸衍生物具有更好的平面性,有助于载流子的高效传输,因而产生更好的传感性能。虽然克酮酸衍生物在选择性等方面均表现出了优异的性能,但是仍然会受到环境因素(湿度、温度)的影响,并且该类材料的回复性较差,接下来的研究将着重解决此类问题。(2)在体系(1)的基础上,选择带有稠环芳烃的2,6-萘二胺作为亲核试剂进攻克酮酸,合成双(萘氨基)克酮酸衍生物(PNAC)聚合物。该聚合物可实验对低至40ppb二氧化氮的检测,时间稳定性(至少70天)、批次重复性等均表现优异。此外,通过静电纺丝的方式在传感器表面覆盖一层聚偏氟乙烯聚合物,有效地屏蔽了湿度对传感器件性能的影响。(3)在体系(1)的基础上,通过改变亲核试剂的平面性(联苯结构)调制克酮酸衍生物的基础电流,从而减弱温度变化对传感器件基础电流的影响。所制备的传感器件在高温(100℃)下保持了优异的传感性能,可连续工作至少5天。尤为重要的是,较高的工作温度很好的减弱湿度的影响,提升了传感器件的回复性能,高效的响应/回复性能,以及对湿度的抵抗性将克酮酸衍生物制备的传感器件推向了应用级别。
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