一種納米薄膜氨氣傳感器的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及氣體傳感器技術，具體涉及一種基于聚苯胺-鎳(II)酞菁四磺酸復合物納米多孔薄膜的氨氣傳感器制備方法。
【背景技術】
[0002]作為世界上產量最高的無機化合物之一，氨氣廣泛應用于化肥生產、臨床診斷、食品加工等眾多領域。然而，即便是較低濃度的氨氣也會對人體呼吸系統(tǒng)、皮膚和眼睛產生較嚴重的刺激作用，引起一系列臨床癥狀。另外，當氨氣在空氣中的體積分數(shù)達到15-18%時，遇明火即可發(fā)生爆炸。因此，如何快速而準確地檢測出環(huán)境中氨氣的含量，為空氣環(huán)境的治理提供必要的科學依據(jù)具有非常重要的現(xiàn)實意義。然而，現(xiàn)有的氨氣傳感器普遍存在以下缺陷:敏感膜制作多采用滴涂、紡絲等方法，程序較為復雜，重復性、穩(wěn)定性較差；響應和恢復時間較長；對氨氣的選擇性差，靈敏度不高；需在較高溫度下工作，功耗大。
[0003]根據(jù)已有文獻，基于聚苯胺摻雜/脫摻雜機理的氨氣傳感器具有較高的靈敏度，且可在室溫下工作，但依然存在選擇性不好、穩(wěn)定性差等不足。而金屬酞菁類物質與氨氣接觸時，由于其大環(huán)共軛結構可對氨氣產生捕獲作用，且由于其中心金屬離子的存在，可對不同氣體產生選擇性響應。經過優(yōu)選，本發(fā)明制備了一種聚苯胺-鎳(II)酞菁四磺酸復合物薄膜氨氣傳感器，其中聚苯胺主鏈可作為靈敏的響應單元，而作為側鏈的鎳(II)酞菁四磺酸則是選擇性的捕獲單元。
【發(fā)明內容】
[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種納米薄膜氨氣傳感器的制備方法，以簡化制備方法、縮短響應時間，提高選擇性和靈敏度，提高穩(wěn)定性和重復性，且可在室溫下工作。
[0005]為了解決以上技術問題，本發(fā)明采用的具體技術方案如下:
一種納米薄膜氨氣傳感器的制備方法，其特征在于包括以下步驟:
步驟一，取5-500mmol/L的苯胺單體，溶于0.1-lmol/L的硫酸溶液中，再加入0.l-10mmol/L的鎳(II)酞菁四磺酸四鈉鹽，攪拌混合均勻得電解液一；
步驟二，采用循環(huán)伏安法在所述電解液一中將聚苯胺-鎳(II)酞菁四磺酸復合物薄膜沉積于叉指金電極；
步驟三，將沉積有聚苯胺-鎳(II)酞菁四磺酸復合物薄膜的叉指金電極使用雙蒸水沖洗2-3遍，氮氣吹干即得納米薄膜氨氣傳感器。
[0006]所述叉指金電極是以硅/ 二氧化硅為基底，叉指金電極的叉指寬度為2-10Mffl，叉指間距為2-10Mm。
[0007]所述循環(huán)伏安法是以鉑絲電極為對電極，銀/氯化銀電極或甘汞電極為參比電極，聚合溫度為-4-10°C，掃描速率為5-lOOmV/s，掃描電壓范圍的下限為-0.2V、上限為0.8-1.2V，掃描圈數(shù)為1-5圈。
[0008]本發(fā)明具有以下有益效果。I)本發(fā)明通過采用電化學聚合法直接將復合物沉積于叉指金電極表面，使得操作簡單，成本低廉。2)本發(fā)明的復合物薄膜形貌、厚度可控，膜層均一穩(wěn)定，所制備傳感器穩(wěn)定性、重復性好。3)本發(fā)明利用鎳(II)酞菁四磺酸分子對氨氣的捕獲作用，響應快速、靈敏度高，選擇性好，恢復時間短。4)本發(fā)明所制備傳感器室溫下即可工作，功耗低。
【附圖說明】
[0009]圖1A為本發(fā)明所制備的傳感器的結構示意圖。
[0010]圖1B為所述叉指金電極叉指部分的局部放大圖。
[0011]圖2為本發(fā)明所制備的聚苯胺-鎳(II)酞菁四磺酸復合物分子的結構示意圖。
[0012]圖3A為本發(fā)明聚苯胺-鎳(II)酞菁四磺酸復合物薄膜的掃描電鏡圖像。
[0013]圖3B為所制備納米多孔薄膜的局部放大圖。
[0014]圖4A為本發(fā)明聚苯胺-鎳(II)酞菁四磺酸復合物薄膜的原子力顯微鏡圖像。
[0015]圖4B為本發(fā)明聚苯胺-鎳(II)酞菁四磺酸復合物薄膜的拉曼光譜圖。
[0016]圖5為本發(fā)明制備的氨氣傳感器的氨氣響應瞬態(tài)曲線。
[0017]圖中:1.叉指金電極；2.聚苯胺-鎳(II)酞菁四磺酸復合薄膜；3.硅/二氧化娃基底；4.叉指金電極左接線點；5.叉指金電極右接線點。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖和【具體實施方式】，對本發(fā)明的技術方案做進一步詳細說明。
[0019]一種納米復合薄膜氨氣傳感器的制備方法，其步驟如下:
I)在7.954mL雙蒸水中依次加入ImL硫酸(5mol/L)和減壓蒸餾后所得苯胺45.65μ?,超聲5min使苯胺充分溶解；再加入ImL鎳(II)酞菁四磺酸四鈉鹽(20mmol/L)，混勻，充氮除氧，降溫至O °C備用。
[0020]2)將叉指金電極的左、右兩個連接點均連接至電化學工作站的工作電極，以鉑絲電極為對電極，以銀/氯化銀電極為參比電極，掃描一圈。優(yōu)選地，掃描速率為20mV/s，掃描電壓范圍為-0.2-0.9V，使用冰水混合物控制電解液溫度為0°C。
[0021]3)掃描完成后，將叉指金電極使用雙蒸水清洗2-3次，氮氣吹干。
[0022]圖1A為本發(fā)明的聚苯胺-鎳(II)酞菁四磺酸薄膜傳感器的結構示意圖，包括叉指金電極1、聚苯胺-鎳(II)酞菁四磺酸復合物氣敏薄膜2和硅/ 二氧化硅基底3，其中4和5表示叉指金電極左、右兩個接線點。優(yōu)選地，叉指電極指寬5Mm，指間距3Mm，圖1B顯示了叉指金電極的局部放大結構。由于叉指間距較小以及鎳(II)酞菁四磺酸對于苯胺聚合較強的催化作用，使得該氣敏薄膜可以跨過指間區(qū)域并保持較小的厚度。
[0023]圖2為所制備聚苯胺-鎳(II)酞菁四磺酸復合物的結構示意圖，其主鏈為質子化的聚苯胺長鏈，側鏈為鎳(II)酞菁四磺酸。當其與氨氣接觸時，鎳(II)酞菁四磺酸可選擇性捕獲氨分子，進而將其轉移至臨近的聚苯胺鏈，使其去質子化，導致復合物電阻發(fā)生明顯上升。同時，不同的聚苯胺鏈也可由鎳(II)酞菁四磺酸連接，從而在聚合時表現(xiàn)出較好的成膜性能。
[0024]圖3A為本發(fā)明所制備聚苯胺-鎳(II)酞菁四磺酸復合物薄膜的掃描電鏡圖像。為了便于觀察，使用鋒利刀片在金電極表面劃出劃痕。圖中I為叉指金電極，2為聚苯胺-鎳(II)酞菁四磺酸復合薄膜，3為硅/ 二氧化硅基底。從圖中可見，一層均勻的聚苯胺-鎳
(II)酞菁四磺酸復合膜2沉積于叉指金電極I之間的二氧化硅基底3上，且所制備薄膜呈現(xiàn)多孔狀結構，見圖3B。該多孔納米結構可有效增加氨氣的接觸面積，提高檢測靈敏度。
[0025]圖4A為所制備納米薄膜的原子力顯微鏡圖像，圖4B為所制備復合物的拉曼光譜圖。從原子力顯微鏡圖像可知，該薄膜僅100±10nm，而拉曼光譜則證明了聚苯胺與鎳(II)酞菁四磺酸的成功復合。
[0026]圖5為所制備的氨氣傳感器在室溫下的氨氣響應瞬態(tài)曲線。從圖中可知，所制備氨氣傳感器具有良好的檢測靈敏度，出色的響應-恢復特性，響應時間僅為10±2s，恢復時間僅需46±6s。
【主權項】
1.一種納米薄膜氨氣傳感器的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一，取5-500mmol/L的苯胺單體，溶于0.1-lmol/L的硫酸溶液中，再加入0.l-10mmol/L的鎳(II)酞菁四磺酸四鈉鹽，攪拌混合均勻得電解液一； 步驟二，采用循環(huán)伏安法在所述電解液一中將聚苯胺-鎳(II)酞菁四磺酸復合物薄膜沉積于叉指金電極； 步驟三，將沉積有聚苯胺-鎳(II)酞菁四磺酸復合物薄膜的叉指金電極使用雙蒸水沖洗2-3遍，氮氣吹干即得納米薄膜氨氣傳感器。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種納米薄膜氨氣傳感器的制備方法，其特征在于:所述叉指金電極是以硅/ 二氧化硅為基底，叉指金電極的叉指寬度為2-10Mffl，叉指間距為2-10Mffl。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種納米薄膜氨氣傳感器的制備方法，其特征在于:所述循環(huán)伏安法是以鉑絲電極為對電極，銀/氯化銀電極或甘汞電極為參比電極，聚合溫度為-4-10°C，掃描速率為5-100mV/s，掃描電壓范圍的下限為-0.2V、上限為0.8-1.2V，掃描圈數(shù)為1-5圈。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種納米薄膜氨氣傳感器的制備方法。取5-500mmol/L的苯胺單體，溶于0.1-1mol/L的硫酸溶液中，再加入0.1-10mmol/L的鎳(II)酞菁四磺酸四鈉鹽，攪拌混合均勻得電解液一；采用循環(huán)伏安法在所述電解液一中將聚苯胺-鎳(II)酞菁四磺酸復合物薄膜沉積于叉指金電極；將沉積有聚苯胺-鎳(II)酞菁四磺酸復合物薄膜的叉指金電極使用雙蒸水沖洗2-3遍，氮氣吹干即得納米薄膜氨氣傳感器。本發(fā)明制備方法簡單，響應時間短，選擇性好，靈敏度高，且穩(wěn)定性和重復性好，制得的傳感器可在室溫下工作。本發(fā)明方法可應用于環(huán)境監(jiān)測、電子鼻及疾病診斷等領域。
【IPC分類】G01N27-00
【公開號】CN104833701
【申請?zhí)枴緾N201510227960
【發(fā)明人】鄒小波, 李志華, 黃曉瑋, 石吉勇, 周煦成
【申請人】江蘇大學
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年5月6日