掺杂聚苯胺毛细管气体传感器的制备研究

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聚苯胺(PANI)气体传感器是检测分析气体样品的重要器件之一,在各个行业包括环境监测、家庭安全、工业、医学诊疗和人工智能等领域有较大应用前景。目前,大体积、高浓度氨气(NH3)样品的检测已经取得了较大的进展,并且实现了一定程度的实际应用。随着人体医学诊断、科学实验气氛检测等各种应用的深入推进,迫切需要开发能够对小体积量、低浓度NH3样品进行快速检测的新结构PANI气体传感器。本文提出了一种掺杂型PANI毛细管结构气体传感器,并对其制备方法、检测方式和传感性能进行了深入研究。探索了用动态液相沉积法(Dynamic Liquid Phase Deposition Method,简称DLPD法)在石英玻璃毛细管内壁上生长了PANI-CSA/TiO2和PANI-SSA/HCl两种敏感膜材料。通过涂覆方式搭建电信号引出等装置,从而制作出掺杂型PANI毛细管气体传感器。借助于扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDX)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)和自搭建的气体传感检测系统等,对其微观形貌、组成、物相结构、电化学性能和气体传感性能进行了研究,由此探索得到优化的制备工艺参数。在最佳液流量为0.62 mL/min的条件下,可以获得比平面型传感器性能更好的PANI-CSA/TiO2和PANI-SSA/HCl毛细管传感器样品(芯径1 mm、长度7 cm)。其中,PANI-CSA/TiO2毛细管传感器综合性能更佳,对检测3 ppm NH3气体的响应时间为84 s,灵敏度高达877%,恢复时间为55 s,而对应的平面传感器样品的响应时间为152 s,灵敏度为17.8%,恢复时间为367 s。对于1 mL、0.1 ppm的小体积、低浓度NH3气体样品,PANI-CSA/TiO2毛细管传感器的响应时间为54 s,灵敏度为454%,而平面型传感器未能检测到。探索了通过Eu3+掺杂PANI进一步提升毛细管结构的气体传感器对小体积、低浓度NH3快速传感的可行性。以Eu(NO33为结构导向剂,采用DLPD工艺在毛细管内制备了Eu3+掺杂PANI敏感膜材料。结果表明,在掺杂有Eu3+离子的PANI膜中出现了具有多孔形貌的纳米纤维网络结构,由此获得较大的比表面积。基于Eu3+掺杂PANI膜材料,我们制备了完整的毛细管传感器,通过自主搭建的毛细管气体传感器性能测试系统,可以检测到微体积量、低浓度的NH3气体样品(0.3 mL,0.25 ppm),显示出高灵敏度(435%)和较短的响应时间(5 s)和恢复时间(5 s),重复性和选择性也较高。
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