一种金属卟啉配合物气敏传感器元件及其制备方法和应用与流程

本发明属于有机半导体材料化学领域，具体涉及一种金属卟啉配合物气敏传感器元件及其制备方法和应用。

背景技术：

乙醇又称酒精，在常温、常压下呈现出无色透明的液体状态，是重要的化工原料和溶剂，可广泛应用于化工、食品工业、日用化工和医疗卫生等领域。但是，乙醇易挥发，其蒸汽极易扩散，能与空气形成爆炸性混合物，遇明火或高温会燃烧甚至爆炸。另外，长时间吸入高浓度的乙醇会引起鼻、眼、粘膜刺激，易出现头痛、疲劳、恶心等症状，严重危害人体的神经系统。但是大多数人仍具有饮酒的习惯，轻则失态，重则导致身体伤害，甚至死亡；而且司机酗酒也会造成交通事故，甚至危及到更多人的生命安全。因此，快速、准确的检测乙醇的浓度具有非常重要的现实意义和实用价值。

目前，检测乙醇最有效的方式之一就是气敏传感器。检测乙醇等有机气体所需要的敏感材料主要以金属氧化物半导体材料为主，如：fe2o3、in2o3、co3o4等，但是这些传统的金属氧化物半导体材料存在灵敏度较低、工作温度高(300-600℃)、消耗功率大、成本高、选择性差等问题，由此限制了它们的实际应用。而有机半导体材料可以在接近室温下工作、制作成本低且易于批量生产，具有响应恢复较快、灵敏度较高、重现性较好及选择性较强等优势，因此受到研究者的青睐，其中以卟啉/酞菁类有机化合物半导体材料最具代表性。特别地，卟啉分子具有大的共轭体系，分子内部及分子之间具有多种相互作用(π-π、静电、金属配位、范德华力等作用)而具有优良的光电性质及化学稳定性而引起科研工作者极大的兴趣。因此，制备卟啉类有机半导体微米材料是未来气敏传感器材料的发展趋势。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种金属卟啉配合物气敏传感器元件及其制备方法和应用，克服现有技术中存在的用于检测乙醇气体的气敏传感器灵敏度低、工作温度高、选择性差、响应恢复时间长、成本高等问题。

为了实现上述目的或者其他目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种金属卟啉配合物气敏传感器元件，包括ito导电玻璃和叉指电极，所述叉指电极刻蚀在ito导电玻璃基底上，所述叉指电极表面设置有5,15-二苯基镍卟啉微米片。

进一步地，所述5,15-二苯基镍卟啉微米片长度和宽度分别为2-3μm。

本发明还提供了一种上述金属卟啉配合物气敏传感器元件的制备方法，包括以下步骤：

(1)将叉指电极刻蚀在ito导电玻璃基底上，并进行清洗；

(2)将5,15-二苯基镍卟啉(简称dppni)溶于良溶剂，制成5,15-二苯基镍卟啉溶液；

(3)将步骤(1)处理后的叉指电极，放入带有真空阀的密闭容器内，将步骤(2)所得5,15-二苯基镍卟啉溶液滴加到叉指电极上方，并在密闭容器中放入装有二氯甲烷的开口容器；

(4)关闭密闭容器，打开旋塞，抽真空3次，每次5min，关闭旋塞，静置24h后，取出气敏传感器元件干燥，即获得叉指电极表面为5,15-二苯基镍卟啉微米片的金属卟啉配合物气敏传感器元件。

进一步地，步骤(1)中刻蚀在ito导电玻璃基底上的叉指电极依次经过甲苯、丙酮、无水乙醇、水不同极性的溶剂分别清洗3次，每次清洗5min。

进一步地，步骤(2)中良溶剂选自三氯甲烷或二氯甲烷。

进一步地，步骤(2)中制得的5,15-二苯基镍卟啉溶液的浓度为0.006-0.009mmol/ml。在该制备方法中，制备5,15-二苯基镍卟啉微米片的关键之一就是5,15-二苯基镍卟啉溶液，若溶液浓度大于0.009mmol/ml，则不能形成dppni微米片，而是形成无序的聚集体结构；若配制的溶液浓度小于0.006mmol/ml，同样也不能形成dppni微米片，而是形成无序的纳米颗粒。

进一步地，步骤(3)中采用滴管将5,15-二苯基镍卟啉溶液滴加到叉指电极上方，滴加量为0.25-0.50ml，同时保证5,15-二苯基镍卟啉溶液不溢出叉指电极。为了得到一定形貌、均匀分布的dppni微米片，应保持带有真空阀的密闭容器位置不动，这样会减少dppni微米片的形成以及无序排列。因此，本发明中，将叉指电极放入带有真空阀的密闭容器中后，再向叉指电极上方滴加5,15-二苯基镍卟啉溶液的方式，可以尽量减少对形貌形成过程的扰动。

进一步地，步骤(3)中开口容器中装有30-100ml二氯甲烷。

进一步地，步骤(4)中干燥温度为50-60℃，干燥时间为12-24h。

本发明中所述的金属卟啉配合物气敏传感器元件，金属卟啉配合物为5,15-二苯基镍卟啉，简称dppni，其结构式，如式1所示：

本发明进一步提供了制备该5,15-二苯基镍卟啉的方法，包括以下步骤：

(a)将5,15-二苯基卟啉和醋酸镍加入有机溶剂中，在氮气保护下搅拌反应；

(b)反应结束后，冷却至室温，冰水浴猝灭反应，静置，过滤，洗涤，真空干燥，得粗产品；

(c)将步骤(2)所得粗产品溶于三氯甲烷，采用甲醇进行重结晶，获得纯品5,15-二苯基镍卟啉。

优选地，步骤(a)中5,15-二苯基卟啉和醋酸镍的摩尔比为1.0：5。

步骤(a)中有机溶剂为二甲基甲酰胺(dmf)，当5,15-二苯基卟啉为1mmol时，dmf用量为15-50ml。

步骤(a)中搅拌反应的温度为153-165℃。

步骤(a)中搅拌反应的时间为2-5h。

优选地，步骤(b)中，猝灭反应中，采用的冰水浴体积与二甲基甲酰胺的体积比为1：(2-3)。

步骤(b)中，猝灭反应后静置时间为5-8h。

步骤(b)中，洗涤所采用的溶剂依次是水、乙醇、丙酮，优选为蒸馏水、乙醇、丙酮。真空干燥时间为18-24h，温度为60-80℃。

优选地，步骤(c)中三氯甲烷用量是保证粗产品能够溶解。更优选地，加入三氯甲烷的量保证粗产品溶于三氯甲烷得到饱和溶液。重结晶中加入甲醇的量保证：三氯甲烷和甲醇的体积比为1：(5-8)。

本发明所制得的金属卟啉配合物气敏传感器元件，其中叉指电极表面的5,15-二苯基镍卟啉微米片为长度和宽度均为2-3μm的高度有序的2d片状结构。

本发明还提供了上述金属卟啉配合物气敏传感器元件在检测乙醇气体中的应用。

本发明的金属卟啉配合物气敏传感器元件用于检测乙醇气体时，在室温下对乙醇气体的最低响应浓度为200ppm；且乙醇浓度与灵敏度在200-500ppm范围内呈现出良好的线性关系。这是由于：(1)当5,15-二苯基镍卟啉微米片与乙醇气体分子接触时，乙醇作为电子给予者，dppni作为电子接受者，二者之间发生电子间的转移，使dppni表面的电子浓度增加，从而导致半导体电流增加；(2)5,15-二苯基镍卟啉具有大的共轭体系，分子间具有较强的π-π相互作用，有利于形成有序的二维片状结构，从而加快电子的传输速率；(3)dppni微米片对乙醇具有一定的选择性，同时能抵抗其它气体(如苯、甲醛和丙酮)的干扰。

进一步地，所述金属卟啉配合物气敏传感器元件对浓度为200-1000ppm乙醇的响应时间为80s，恢复时间为650s。

综合以上，本发明所制得的5,15-二苯基镍卟啉气敏传感器元件具有以下性能指标：

(1)检测范围：浓度为200-1000ppm的乙醇；

(2)检测灵敏度：灵敏度为0.47，1000ppm乙醇；

(3)器件工作温度：25℃；

(4)选择性：在各气体浓度下对苯、甲醛和丙酮的灵敏度≤0.2；

(5)元件响应时间：80s；元件恢复时间：650s。

与现有技术相比，本发明制备的气敏传感器元件具有如下优点：

(1)本发明气敏传感器元件能够在室温下进行，无安全隐患；

(2)本发明气敏传感器元件对乙醇的响应浓度低至200ppm，响应和恢复时间较快，灵敏度较高，同时对乙醇表现出较好的稳定性。

(3)本发明结构及制备工艺简单，成本较低，便于批量生产。

附图说明

图1金属卟啉配合物dppni的质谱；

图2金属卟啉配合物dppni的核磁共振氢谱；

图3气敏传感器元件的结构示意图；

图4气敏传感器元件的横截面示意图；

图5dppni微米片的制备过程示意图；

图6dppni微米片的sem图；

图7dppni溶液及微米片的电子吸收光谱；实线为dppni的氯仿溶液，虚线为dppni微米片；

图8dppni微米片的xrd图谱；

图9dppni粉末及微米片的红外图谱(其中a为dppni粉末，b为dppni微米片)；

图10dppni微米片的eds图谱；

图11气敏传感器的电流-电压曲线；

图12气敏传感器对乙醇的电流-时间曲线；

图13气敏传感器对1000ppm乙醇的动态响应曲线；

图14气敏传感器对乙醇的灵敏度-浓度曲线；

图15气敏传感器对不同气体的选择性曲线；

元件标号说明：1为ito透明玻璃基底，2为叉指电极，3为dppni微米片的涂层。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。

当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。

本发明中性能测试所采用的仪器为：德国bruker公司maldi-tof-ms质谱仪、德国bruker公司brukerdpx400核磁共振仪、德国bruker公司vertex70红外光谱仪、日本jeol公司jeoljsm-6700f扫描电子显微镜、德国bruker公司d/max-γb型x射线衍射仪、日本shimadzu公司hitachiu-4100紫外可见分光光度计。

实施例1

本实施例为有机半导体金属卟啉配合物dppni的合成实施例

(1)将5,15-二苯基卟啉(50mg，1mmol)和醋酸镍(111.6mg，5mmol)溶于二甲基甲酰胺(15ml)，以氮气作为保护气体，165℃下反应2小时；

(2)反应完成后冷却至室温，加冰浴水30ml猝灭反应，静置5-8h，过滤，分别用蒸馏水、乙醇和丙酮洗涤，得到目标粗产物；

(3)将粗产物用5ml三氯甲烷溶解，小心加入30ml甲醇、静置过夜，得紫红色粉末45mg，产率90％。

将上述紫红色粉末进行质谱测试，质谱图如图1所示，质谱的分子离子峰为517.638，理论值为519.220，说明紫红色粉末为dppni。

核磁测试所得核磁共振氢谱(cdcl3，600mhz)如图2所示，其中δ(ppm)：9.97(s，2h，pormesoh)，9.21(d，4h，porβh)，8.96(d，4h，porβh)，8.11(m，4h，phh)，7.75(s，6h，phh)，说明该紫红色粉末为目标产物dppni。

实施例2

本实施例为制备金属卟啉配合物微米片气敏传感器元件的实施例。

(1)将叉指电极刻蚀在ito导电玻璃基底上，并依次经过甲苯、丙酮、无水乙醇、水不同溶剂分别清洗3次，每次5min；

(2)称取实施例1制得的化合物dppni3mg于2ml离心管中，加入1ml三氯甲烷，配制成0.006mmol/ml的溶液；

(3)将直径为9cm，高为1.5cm的表面皿放置在带有真空阀的密闭容器里面，同时把清洗干净的叉指电极也放置到表面皿里，用滴管将步骤(2)制备好的溶液小心滴在叉指电极上，滴加0.25ml，同时把盛有30ml二氯甲烷的烧杯也放到带有真空阀的密闭容器里；

(4)打开旋塞，抽真空3次，每次5min，关闭旋塞，使蒸汽充满带有真空阀的密闭容器空间，放置24h，取出气敏传感器元件50℃干燥24h，即获得叉指电极表面为5,15-二苯基镍卟啉微米片的金属卟啉配合物气敏传感器元件；

其中，图3为所制得的气敏传感器元件的结构示意图；图4为气敏传感器元件的横截面示意图；图5为制备过程示意图。

实施例3

本实施例为制备金属卟啉配合物微米片气敏传感器元件的实施例。

(1)将叉指电极刻蚀在ito导电玻璃基底上，并依次经过甲苯、丙酮、无水乙醇、水不同溶剂分别清洗3次，每次5min；

(2)称取化合物dppni4mg于2ml离心管中，加入1ml三氯甲烷，配制成0.007mmol/ml的溶液；

(3)将直径为9cm，高为1.5cm的表面皿放置在带有真空阀的密闭容器里面，同时把清洗干净的叉指电极也放置到表面皿里，用滴管将步骤(2)制备好的溶液小心滴在叉指电极上，滴加0.5ml，同时把盛有50ml二氯甲烷的烧杯也放到带有真空阀的密闭容器里；

(4)打开旋塞，抽真空3次，每次5min，关闭旋塞，使蒸汽充满带有真空阀的密闭容器空间，放置24h，取出在60℃下干燥12h，即获得叉指电极表面为5,15-二苯基镍卟啉微米片的金属卟啉配合物dppni的气敏传感器元件。

实施例4

本实施例为制备金属卟啉配合物微米片气敏传感器元件的实施例。

(1)将叉指电极刻蚀在ito导电玻璃基底上，并依次经过甲苯、丙酮、无水乙醇、水不同溶剂分别清洗3次，每次5min；

(2)称取化合物dppni5mg于2ml离心管中，加入1ml三氯甲烷，配制成0.009mmol/ml的溶液；

(3)将直径为9cm，高为1.5cm的表面皿放置在带有真空阀的密闭容器里面，同时把清洗干净的叉指电极也放置到表面皿里，用滴管将步骤(2)制备好的溶液小心滴在叉指电极上，滴加0.4ml，同时把盛有100ml二氯甲烷的烧杯也放到带有真空阀的密闭容器里；

(4)打开旋塞，抽真空3次，每次5min，关闭旋塞，使蒸汽充满带有真空阀的密闭容器空间，放置24h，取出在55℃干燥20h，即获得叉指电极表面为5,15-二苯基镍卟啉微米片的金属卟啉配合物dppni的气敏传感器元件。

实施例5

本实施例为制备金属卟啉配合物微米片气敏传感器元件的实施例。

其制备方法同实施例2相同，与实施例2不同的是：在步骤(2)中配制dppni溶液选用的溶剂是二氯甲烷。

实施例6

本实施例为制备金属卟啉配合物微米片气敏传感器元件的实施例。

其制备方法同实施例3相同，与实施例3不同的是：在步骤(2)中配制dppni溶液选用的溶剂是二氯甲烷。

实施例7

本实施例为制备金属卟啉配合物微米片气敏传感器元件的实施例。

其制备方法同实施例4相同，与实施例4不同的是：在步骤(2)中配制dppni溶液选用的溶剂是二氯甲烷。

性能测试

1、sem形貌表征

按照实施例2中按照溶剂蒸汽退火(即实施例中步骤4的处理方法)的方法，将叉指电极替换成sio2/si基片，制得在sio2/si基片上自组装的5,15-二苯基镍卟啉微米片，并对其进行sem形貌测试，测试结果如图6所示，从图6a和b中可以看出，化合物dppni在sio2/si基片上自组装为长度和宽度都为2-3μm的高度有序的2d片状结构。

2、电子吸收光谱表征

选取实施例2获得5,15-二苯基镍卟啉微米片，对比例选取5,15-二苯基镍卟的氯仿溶液，分别对5,15-二苯基镍卟啉微米片、5,15-二苯基镍卟的氯仿溶液进行电子吸收光谱的测试，测试结果如图7所示，从图7中可以看出，当dppni溶液组装成微米片时，所有的带明显变宽，这是分子自组装的结果。

3、x射线衍射表征

对实施例3经过溶剂蒸汽退火的方法得到的dppni微米片进行x射线衍射的测试，其xrd图谱如图8所示。从图8中可以看出，dppni微米片在不同的方向都有衍射峰，证明分子排列的有序性。

4、红外表征和eds表征

将实施例2制得的dppni微米片以及dppni粉末分别进行红外表征，结果如图9所示，从图9可以看出，dppni粉末的红外图谱与其微米片的相似，说明微米片的成分是相应的卟啉化合物。

将实施例2制得的dppni微米片进行eds表征，如图10所示。从图10可以观察到c、n、ni元素的存在，证明微米片是由dppni组成的。

5、i-v性能测试

将实施例2得到的dppni微米片并对其进行i-v性能测试，所得结果如图11所示。从图11可以计算出dppni微米片的电导率为1.42×10^-4s·cm^-1，说明本发明制备的dppni气敏元件具有较高的导电性质。

6、气敏传感器对乙醇的电流-时间曲线

将实施例2制得的气敏传感器元件利用气敏测试装置进行检测，其中，气敏测试装置是根据现有的常规装置由实验室构建的，气敏测试过程是在室温条件及两个电极间固定偏压为5v下进行的。使用测试仪器型号：安捷伦b290a精密源/测量单元。结果如图12所示。

如图12所示，在室温下，本发明制备的dppni微米片气体传感器元件对不同浓度的乙醇具有良好的响应，检测限可以达到200ppm，响应/恢复时间分别为80s和650s。

7、气敏传感器对1000ppm乙醇的动态响应曲线

将实施例2制得的气敏传感器元件利用气敏测试装置进行检测，其中，气敏测试装置是根据现有的常规装置由实验室构建的，气敏测试过程是在室温条件及两个电极间固定偏压为5v下进行的。使用测试仪器型号：安捷伦b290a精密源/测量单元。结果如图13所示。

如图13所示，在室温下，本发明的制备的dppni微米片气体传感器对1000ppm乙醇的重复响应性基本一致，说明该气敏传感器元件的稳定性较好。

8、气敏传感器对乙醇的灵敏度-浓度曲线

将实施例3制得的气敏传感器元件利用气敏测试装置进行检测，其中，气敏测试装置是根据现有的常规装置由实验室构建的，气敏测试过程是在室温条件及两个电极间固定偏压为5v下进行的。使用测试仪器型号：安捷伦b290a精密源/测量单元。

气敏传感器的灵敏度(s)是衡量测试元件对被测气体敏感程度的一个重要指标。s的计算公式如下：

s＝|ig-ia|/ia

其中，ig是乙醇与敏感层接触时的电流值，ia是敏感层在未接触气体时的电流值。

如图14所示，在室温下，本发明的制备的dppni微米片气体传感器在200-500ppm浓度范围内乙醇浓度与响应灵敏度呈现出良好的线性关系，这将有利于定性分析乙醇的浓度。

9、气敏传感器对不同气体的选择性曲线

将实施例3制得的气敏传感器元件利用气敏测试装置进行检测，其中，气敏测试装置是根据现有的常规装置由实验室构建的，气敏测试过程是在室温条件及两个电极间固定偏压为5v下进行的。使用测试仪器型号：安捷伦b290a精密源/测量单元。

如图15所示，在室温下，本发明的制备的dppni微米片气体传感器对苯、甲醛和丙酮的响应性较好，对乙醇具有良好的选择性。

综上可知，本发明制备的dppni微米片气体传感器在室温下对乙醇具有响应极限低、响应/恢复时间快、重现性好、灵敏度高以及选择性强等特点，在气体检测领域具有潜在的应用前景。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。