一种纳米薄膜氨气传感器的制备方法

文档序号:8511650
一种纳米薄膜氨气传感器的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及气体传感器技术,具体涉及一种基于聚苯胺-镍(II)酞菁四磺酸复合物纳米多孔薄膜的氨气传感器制备方法。
【背景技术】
[0002]作为世界上产量最高的无机化合物之一,氨气广泛应用于化肥生产、临床诊断、食品加工等众多领域。然而,即便是较低浓度的氨气也会对人体呼吸系统、皮肤和眼睛产生较严重的刺激作用,引起一系列临床症状。另外,当氨气在空气中的体积分数达到15-18%时,遇明火即可发生爆炸。因此,如何快速而准确地检测出环境中氨气的含量,为空气环境的治理提供必要的科学依据具有非常重要的现实意义。然而,现有的氨气传感器普遍存在以下缺陷:敏感膜制作多采用滴涂、纺丝等方法,程序较为复杂,重复性、稳定性较差;响应和恢复时间较长;对氨气的选择性差,灵敏度不高;需在较高温度下工作,功耗大。
[0003]根据已有文献,基于聚苯胺掺杂/脱掺杂机理的氨气传感器具有较高的灵敏度,且可在室温下工作,但依然存在选择性不好、稳定性差等不足。而金属酞菁类物质与氨气接触时,由于其大环共轭结构可对氨气产生捕获作用,且由于其中心金属离子的存在,可对不同气体产生选择性响应。经过优选,本发明制备了一种聚苯胺-镍(II)酞菁四磺酸复合物薄膜氨气传感器,其中聚苯胺主链可作为灵敏的响应单元,而作为侧链的镍(II)酞菁四磺酸则是选择性的捕获单元。

【发明内容】

[0004]本发明的目的在于提供一种纳米薄膜氨气传感器的制备方法,以简化制备方法、缩短响应时间,提高选择性和灵敏度,提高稳定性和重复性,且可在室温下工作。
[0005]为了解决以上技术问题,本发明采用的具体技术方案如下:
一种纳米薄膜氨气传感器的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤一,取5-500mmol/L的苯胺单体,溶于0.1-lmol/L的硫酸溶液中,再加入0.l-10mmol/L的镍(II)酞菁四磺酸四钠盐,搅拌混合均匀得电解液一;
步骤二,采用循环伏安法在所述电解液一中将聚苯胺-镍(II)酞菁四磺酸复合物薄膜沉积于叉指金电极;
步骤三,将沉积有聚苯胺-镍(II)酞菁四磺酸复合物薄膜的叉指金电极使用双蒸水冲洗2-3遍,氮气吹干即得纳米薄膜氨气传感器。
[0006]所述叉指金电极是以硅/ 二氧化硅为基底,叉指金电极的叉指宽度为2-10Mffl,叉指间距为2-10Mm。
[0007]所述循环伏安法是以铂丝电极为对电极,银/氯化银电极或甘汞电极为参比电极,聚合温度为-4-10°C,扫描速率为5-lOOmV/s,扫描电压范围的下限为-0.2V、上限为0.8-1.2V,扫描圈数为1-5圈。
[0008]本发明具有以下有益效果。I)本发明通过采用电化学聚合法直接将复合物沉积于叉指金电极表面,使得操作简单,成本低廉。2)本发明的复合物薄膜形貌、厚度可控,膜层均一稳定,所制备传感器稳定性、重复性好。3)本发明利用镍(II)酞菁四磺酸分子对氨气的捕获作用,响应快速、灵敏度高,选择性好,恢复时间短。4)本发明所制备传感器室温下即可工作,功耗低。
【附图说明】
[0009]图1A为本发明所制备的传感器的结构示意图。
[0010]图1B为所述叉指金电极叉指部分的局部放大图。
[0011]图2为本发明所制备的聚苯胺-镍(II)酞菁四磺酸复合物分子的结构示意图。
[0012]图3A为本发明聚苯胺-镍(II)酞菁四磺酸复合物薄膜的扫描电镜图像。
[0013]图3B为所制备纳米多孔薄膜的局部放大图。
[0014]图4A为本发明聚苯胺-镍(II)酞菁四磺酸复合物薄膜的原子力显微镜图像。
[0015]图4B为本发明聚苯胺-镍(II)酞菁四磺酸复合物薄膜的拉曼光谱图。
[0016]图5为本发明制备的氨气传感器的氨气响应瞬态曲线。
[0017]图中:1.叉指金电极;2.聚苯胺-镍(II)酞菁四磺酸复合薄膜;3.硅/二氧化娃基底;4.叉指金电极左接线点;5.叉指金电极右接线点。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和【具体实施方式】,对本发明的技术方案做进一步详细说明。
[0019]一种纳米复合薄膜氨气传感器的制备方法,其步骤如下:
I)在7.954mL双蒸水中依次加入ImL硫酸(5mol/L)和减压蒸馏后所得苯胺45.65μ?,超声5min使苯胺充分溶解;再加入ImL镍(II)酞菁四磺酸四钠盐(20mmol/L),混匀,充氮除氧,降温至O °C备用。
[0020]2)将叉指金电极的左、右两个连接点均连接至电化学工作站的工作电极,以铂丝电极为对电极,以银/氯化银电极为参比电极,扫描一圈。优选地,扫描速率为20mV/s,扫描电压范围为-0.2-0.9V,使用冰水混合物控制电解液温度为0°C。
[0021]3)扫描完成后,将叉指金电极使用双蒸水清洗2-3次,氮气吹干。
[0022]图1A为本发明的聚苯胺-镍(II)酞菁四磺酸薄膜传感器的结构示意图,包括叉指金电极1、聚苯胺-镍(II)酞菁四磺酸复合物气敏薄膜2和硅/ 二氧化硅基底3,其中4和5表示叉指金电极左、右两个接线点。优选地,叉指电极指宽5Mm,指间距3Mm,图1B显示了叉指金电极的局部放大结构。由于叉指间距较小以及镍(II)酞菁四磺酸对于苯胺聚合较强的催化作用,使得该气敏薄膜可以跨过指间区域并保持较小的厚度。
[0023]图2为所制备聚苯胺-镍(II)酞菁四磺酸复合物的结构示意图,其主链为质子化的聚苯胺长链,侧链为镍(II)酞菁四磺酸。当其与氨气接触时,镍(II)酞菁四磺酸可选择性捕获氨分子,进而将其转移至临近的聚苯胺链,使其去质子化,导致复合物电阻发生明显上升。同时,不同的聚苯胺链也可由镍(II)酞菁四磺酸连接,从而在聚合时表现出较好的成膜性能。
[0024]图3A为本发明所制备聚苯胺-镍(II)酞菁四磺酸复合物薄膜的扫描电镜图像。为了便于观察,使用锋利刀片在金电极表面划出划痕。图中I为叉指金电极,2为聚苯胺-镍(II)酞菁四磺酸复合薄膜,3为硅/ 二氧化硅基底。从图中可见,一层均匀的聚苯胺-镍
(II)酞菁四磺酸复合膜2沉积于叉指金电极I之间的二氧化硅基底3上,且所制备薄膜呈现多孔状结构,见图3B。该多孔纳米结构可有效增加氨气的接触面积,提高检测灵敏度。
[0025]图4A为所制备纳米薄膜的原子力显微镜图像,图4B为所制备复合物的拉曼光谱图。从原子力显微镜图像可知,该薄膜仅100±10nm,而拉曼光谱则证明了聚苯胺与镍(II)酞菁四磺酸的成功复合。
[0026]图5为所制备的氨气传感器在室温下的氨气响应瞬态曲线。从图中可知,所制备氨气传感器具有良好的检测灵敏度,出色的响应-恢复特性,响应时间仅为10±2s,恢复时间仅需46±6s。
【主权项】
1.一种纳米薄膜氨气传感器的制备方法,其特征在于包括以下步骤: 步骤一,取5-500mmol/L的苯胺单体,溶于0.1-lmol/L的硫酸溶液中,再加入0.l-10mmol/L的镍(II)酞菁四磺酸四钠盐,搅拌混合均匀得电解液一; 步骤二,采用循环伏安法在所述电解液一中将聚苯胺-镍(II)酞菁四磺酸复合物薄膜沉积于叉指金电极; 步骤三,将沉积有聚苯胺-镍(II)酞菁四磺酸复合物薄膜的叉指金电极使用双蒸水冲洗2-3遍,氮气吹干即得纳米薄膜氨气传感器。
2.根据权利要求1所述的一种纳米薄膜氨气传感器的制备方法,其特征在于:所述叉指金电极是以硅/ 二氧化硅为基底,叉指金电极的叉指宽度为2-10Mffl,叉指间距为2-10Mffl。
3.根据权利要求1所述的一种纳米薄膜氨气传感器的制备方法,其特征在于:所述循环伏安法是以铂丝电极为对电极,银/氯化银电极或甘汞电极为参比电极,聚合温度为-4-10°C,扫描速率为5-100mV/s,扫描电压范围的下限为-0.2V、上限为0.8-1.2V,扫描圈数为1-5圈。
【专利摘要】本发明公开了一种纳米薄膜氨气传感器的制备方法。取5-500mmol/L的苯胺单体,溶于0.1-1mol/L的硫酸溶液中,再加入0.1-10mmol/L的镍(II)酞菁四磺酸四钠盐,搅拌混合均匀得电解液一;采用循环伏安法在所述电解液一中将聚苯胺-镍(II)酞菁四磺酸复合物薄膜沉积于叉指金电极;将沉积有聚苯胺-镍(II)酞菁四磺酸复合物薄膜的叉指金电极使用双蒸水冲洗2-3遍,氮气吹干即得纳米薄膜氨气传感器。本发明制备方法简单,响应时间短,选择性好,灵敏度高,且稳定性和重复性好,制得的传感器可在室温下工作。本发明方法可应用于环境监测、电子鼻及疾病诊断等领域。
【IPC分类】G01N27-00
【公开号】CN104833701
【申请号】CN201510227960
【发明人】邹小波, 李志华, 黄晓玮, 石吉勇, 周煦成
【申请人】江苏大学
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年5月6日
再多了解一些
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