《用于高性能氨气传感器的自组装聚苯胺薄膜》

作者：Chonghui Zhu

导师：张彤  教授

简介：长白山”学者特聘教授，吉林大学唐敖庆特聘教授卓越B岗，博士生导师。全国百篇优秀博士论文指导教师、宝钢优秀教师获得者，吉林省有突出贡献的中青年专业技术人才。中国仪器仪表学会传感器分会理事、中国仪器仪表行业协会传感器分会理事，中国电子学会传感与微系统技术学会气湿敏专业委员会秘书长。2018-2022教育部教学指导委员会电子信息类专业教学指导委员会委员，2021-2025吉林省高等学校电子信息类教学指导委员会副主任委员，第三届吉林大学教学委员会副主任委员。

研究方向：

1、金属氧化物半导体的微纳结构设计及传感器件研究；

2、新型介孔材料的（气）湿敏传感器件的研究；

3、硅基低功耗气体传感器的结构设计和传感器特性研究；

4、基于修饰石墨烯的新型传感器及 (气体、湿度和电化学) 特性研究；

5、超快响应的有机湿度传感材料及其在呼气监控中的应用研究；

6、柔性可穿戴压力传感器及其在人体生理指标检测的应用研究。

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Article Oerview

Chonghui Zhu在十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、十二烷基硫酸钠(SDS)和十二烷基胺(LA)的辅助下，通过界面合成法制备了聚苯胺薄膜，得到了有序的聚合物链，并应用于NH3传感器。在室温下，SDS功能化PANI薄膜传感器对NH3的响应良好(40ppm NH3为5.4)，检出限为0.1 ppm，恢复时间为12 s，优于类似的PANI薄膜传感器。

图为PANI薄膜合成原理图(a);苯胺聚合机理(b)。

Gas-sensing Response

气敏响应

 PANI-SDS传感器的恢复时间为14 s -10 ppm NH3，该传感器具有最好的气敏性能。基于PANI -SDS的传感器在室温下对0.1 - 40ppm NH3的响应恢复曲线如图5b所示。基于PANI-SDS的传感器电阻变化明显，恢复时间快。PANI-SDS传感器的NH3高达5.24-40ppm，响应时间为100 s。PANI-SDS传感器的湿度电阻是通过测试在11-84% RH下对1ppm NH3的响应来估计的。随着相对湿度的增大，传感器的基本电阻也随之增大，这是因为水蒸气在反应中产生电子，从而降低了材料的载流子浓度从而增加了基本电阻。图d可以看出，虽然传感器的初始电阻值有所增加，但其响应值基本没有变化。在84% RH时，PANI传感器的电阻已无法监测。此外，PANI传感器对10 ppm NH3的响应值也降低了，特别是随着相对湿度的增加。以上结果证明，本实验中SDS的加入可以在一定程度上降低湿度对PANI材料的影响，这可以归因于SDS材料中长链的十二烷基具有一定的耐湿性。

图为PANI-SDS传感器对10 ppm NH3 (a)和0.1-40 ppm NH3 (b)的响应恢复曲线;长期稳定性(c)和PANI-SDS传感器对1ppm NH3的湿度响应(d)

气敏机理

Gas-sensing Mechanism

      PANI-SDS薄膜的掺杂水平最高，因此具有更好的导电性，这使得PANI-SDS薄膜具有更快的电子传输速度。这一结果也与XRD谱的结果一致。而且与SDBS材料相比，SDS分子结构中不存在苯基，具有较小的空间位阻，有效地增加了对NH3的吸附。因此，PANI-SDS膜对NH3具有良好的气敏性。当PANI暴露于NH3中时，NH3与PANI链上的-NH-键发生脱质子反应，出现- N =键，使PANI的形态从祖母绿盐(ES)转变为祖母绿碱(EB)，从而增加了PANI传感器的电阻。当将PANI传感器置于空气中时，PANI从NH4+中获得H+，使电阻恢复到初始值。

转自：“科研一席话”微信公众号

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