CN101368925A - 聚吡咯和金属纳米颗粒复合气敏元件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚吡咯和金属纳米颗粒复合气敏元件及其制作方法。它是以陶瓷为基体，其上有多对叉指金电极，在陶瓷片基体和叉指金电极表面涂覆有聚吡咯和钯纳米颗粒的复合气敏膜。本发明制备工艺简单，成本低，尤其适用于批量生产。所制备元件对氨气检测具有灵敏度高，响应快，回复性佳，稳定性强，选择性好，室温检测等优点，可广泛用于工农业生产过程，大气环境监测时对于氨气气体的精确检测与控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚吡咯和金属纳米颗粒复合气敏元件及其制作方法。
背景技术
有毒气体严重危害人类的生命健康，它的室温检测在工农业生产和环境监测中具有重要作用，这为气体传感器的发展提供了广阔的空间。高分子本征导电聚合物材料气体传感器近年来发展十分迅速，相比传统的陶瓷材料气体传感器，它具有可室温检测，易于集成化，小型化批量生产，价格低廉等特点。其中高分子电阻型气体传感器，它能与目前集成电路技术很好相容，易于实现集成化，实现对于多种气体同事检测控制，而且室温检测无需加热，所需功率低，尤其适于测定便携式气体探测器以及检测易燃易爆气体浓度，现在已经成为气体传感器发展的重要方向之一。氨气是一种常见的有毒气体，传统的基于聚吡咯的氨气传感器对其响应具有灵敏低，选择性差等缺点，其实用化受到一定限制。而将聚吡咯与具有大的比表面积的金属纳米颗粒复合，有望提高传感器的响应灵敏度和选择性。
发明内容
本发明的目的是提供一种对氨气响应灵敏度高，响应快，选择性好，可室温检测的聚吡咯和金属纳米颗粒复合气敏元件及其制作方法。
本发明的聚吡咯和金属纳米颗粒复合气敏元件具有陶瓷基体，在陶瓷基体表面光刻和蒸发有多对叉指金电极，在叉指金电极上连接有引线，在陶瓷基体和叉指金电极表面涂覆有气敏薄膜，气敏薄膜为聚吡咯和钯纳米颗粒复合膜。
上述钯纳米颗粒的粒径在2～10nm。
聚吡咯和金属纳米颗粒复合气敏元件的制作方法，包括以下步骤：
1)清洗表面光刻和蒸发有叉指金电极的陶瓷基体，烘干备用；
2)将氯化钯，聚苯乙烯磺酸钠，聚乙烯基吡咯烷酮加入去离子水中，氯化钯:聚苯乙烯磺酸钠中苯乙烯磺酸钠单元:聚乙烯基吡咯烷酮中乙烯基吡咯烷酮单元的摩尔比为1:1～10:1～10，配置氯化钯浓度为0.0012～0.0048mol/L的溶液，然后在溶液中加入甲醇，甲醇与去离子水的体积比为1:0.5～4，在50-80℃反应0.5～8h，得到前驱体溶液。
3)在步骤2)制备的前驱体溶液中加入浓度为0.005～0.08mol/L的过硫酸铵，将步骤1)的有叉指金电极的陶瓷基体浸渍于前驱体溶液中0.5～8min，提拉取出晾干后，在饱和吡咯蒸汽中于0～50℃下气相聚合0.1～12h，经无水乙醇和去离子水洗涤，晾干，得到聚吡咯和金属纳米颗粒复合气敏元件。
上述的陶瓷片基体表面的叉指金电极有8～16对，叉指金电极的叉指宽度为20～200μm，叉指间隙为20～200μm。
本发明的优点是：
1)本征导电聚合物聚吡咯对氨气具有一定的灵敏度、回复性，而钯纳米颗粒对一些氧化还原性气体具有催化特性，同时与导电聚合物之间能发生电荷转移作用，两者复合可结合各自的优点，增强聚吡咯分子与氨气分子之间的电荷转移作用，提高对氨气的响应灵敏度和选择性；
2)所制备的聚吡咯和金属纳米颗粒复合气敏元件中的钯金属颗粒具有纳米结构，其直径在2～10nm之间。钯纳米颗粒的引入可显著增加复合物的体表面积，增加与氨气接触的活性点，提高气敏元件的灵敏度和响应速度；
3)聚吡咯和金属纳米颗粒复合气敏薄膜是由两步法制备，其中第一步制备得到零价钯纳米颗粒，第二步在气相复合聚吡咯。两步法保证复合气敏薄膜中钯颗粒具有纳米结构，并具有好的分散性；
4)制备聚吡咯和金属纳米颗粒复合气敏薄膜时，引入金属纳米颗粒稳定剂聚乙烯基吡咯烷酮作为金属纳米颗粒的稳定剂，可以有效地控制钯纳米颗粒的尺寸分布，并改善其稳定性；
5)制备聚吡咯和金属纳米颗粒复合气敏薄膜时，引入聚苯乙烯磺酸，它一方面作为聚电解质酸沉积钯纳米颗粒，另一方面作为模板诱导吡咯聚合，由此可以增强复合物中聚吡咯与金属纳米颗粒的作用，提高气敏元件的灵敏度；
6)所制备的聚吡咯和金属纳米颗粒复合气敏薄膜是通过气相聚合生长得到，气相聚合可以使复合膜更加均匀，平整，从而提高元件的一致性和成品率，同时可很方便的通过改变气相聚合生长时间及聚合温度等，控制纳米颗粒被聚吡咯的包裹程度，从而改变气敏元件的灵敏度；
7)制备方法简便易行，元件一致性好，成品率高，适于批量生产；
8)本发明的气敏元件具有体积小，低成本，使用方便等优点。而且响应灵敏度高，稳定性较好，还具有一定的响应选择性，可广泛应用于工农业生产过程，大气环境监测时对于氨气浓度的精确测量和控制。
附图说明
图1是本发明的气敏元件的结构示意图；
图2是聚吡咯气敏元件及聚吡咯和钯纳米颗粒复合气敏元件对不同浓度氨气的阻抗相对变化值随时间变化曲线，其中(a)为聚吡咯气敏元件，(b)为聚吡咯和钯纳米颗粒复合气敏元件；
图3是聚吡咯气敏元件及聚吡咯和钯纳米颗粒复合气敏元件对不同浓度氨气的灵敏度曲线，其中(a)为聚吡咯气敏元件，(b)为聚吡咯和钯纳米颗粒复合气敏元件；
图4是聚吡咯和钯纳米颗粒复合气敏元件对氨气及其他常见有机气体的响应灵敏度比较。
具体实施方式
以下结合附图和实施例进一步说明本发明。
参照图1，聚吡咯和钯纳米颗粒复合气敏元件具有陶瓷基体1，在陶瓷基体表面光刻和蒸发有多对叉指金电极2，在叉指金电极上连接有引线4，在陶瓷基体和叉指金电极表面涂覆有气敏薄膜3，气敏薄膜3为聚吡咯和钯纳米颗粒复合薄膜。
所说的陶瓷基体表面的叉指金电极有8～16对，叉指金电极的叉指宽度为20～200μm，叉指间隙为20～200μm。
实施例1：
1)清洗表面光刻和蒸发有叉指金电极的陶瓷基体，烘干备用；
2)将氯化钯，聚苯乙烯磺酸钠，聚乙烯基吡咯烷酮加入去离子水中，氯化钯:聚苯乙烯磺酸钠中苯乙烯磺酸钠单元:聚乙烯基吡咯烷酮中乙烯基吡咯烷酮单元的摩尔比为1：1:1，配置氯化钯浓度为0.0012mol/L的溶液，然后在溶液中加入甲醇，甲醇与去离子水的体积比为1:0.5，在50℃反应0.5h，得到前驱体溶液。
3)在步骤2)制备的前驱体溶液中加入浓度为0.005mol/L的过硫酸铵，采用浸涂机将步骤1)的有叉指金电极的陶瓷基体浸渍于前驱体溶液中0.5min，提拉取出晾干后，在饱和吡咯蒸汽中于0℃下气相聚合0.1h，经无水乙醇和去离子水洗涤，晾干，得到聚吡咯和金属纳米颗粒复合气敏元件。
实施例2：
1)清洗表面光刻和蒸发有叉指金电极的陶瓷基片，烘干备用；
2)将氯化钯，聚苯乙烯磺酸钠，聚乙烯基吡咯烷酮加入去离子水中，氯化钯:聚苯乙烯磺酸钠中苯乙烯磺酸钠单元:聚乙烯基吡咯烷酮中乙烯基吡咯烷酮单元的摩尔比为1：10:10，配置氯化钯浓度为0.0048mol/L的溶液，然后在溶液中加入甲醇，甲醇与去离子水的体积比为1:4，在80℃反应8h，得到前驱体溶液。
3)在步骤2)制备的前驱体溶液中加入浓度为0.08mol/L的过硫酸铵，采用浸涂机将步骤1)的有叉指金电极的陶瓷基体浸渍于前驱体溶液中8min，提拉取出晾干后，在饱和吡咯蒸汽中于50℃下气相聚合12h，经无水乙醇和去离子水洗涤，晾干，得到聚吡咯和金属纳米颗粒复合气敏元件。
实施例3：
1)清洗表面光刻和蒸发有叉指金电极的陶瓷基片，烘干备用；
2)将氯化钯，聚苯乙烯磺酸钠，聚乙烯基吡咯烷酮加入去离子水中，氯化钯:聚苯乙烯磺酸钠中苯乙烯磺酸钠单元:聚乙烯基吡咯烷酮中乙烯基吡咯烷酮单元的摩尔比为1：5:2.5，配置氯化钯浓度为0.0024mol/L的溶液，然后在溶液中加入甲醇，甲醇与去离子水的体积比为1:2，在60℃反应4h，得到前驱体溶液。
3)在步骤2)制备的前驱体溶液中加入浓度为0.02mol/L的过硫酸铵，采用浸涂机将步骤1)的有叉指金电极的陶瓷基体浸渍于前驱体溶液中4min，提拉取出晾干后，在饱和吡咯蒸汽中于20℃下气相聚合1h，经无水乙醇和去离子水洗涤，晾干，得到聚吡咯和金属纳米颗粒复合气敏元件。
图2所示为聚吡咯气敏元件及实施例3所制备的聚吡咯和钯纳米颗粒复合气敏元件对不同浓度氨气的电阻响应曲线。由图可见，本发明的复合气敏元件比聚吡咯气敏元件具有更高的电阻响应，且回复性较好。
图3所示为聚吡咯气敏元件及实施例3所制备的聚吡咯和钯纳米颗粒复合气敏元件对不同浓度氨气的响应灵敏度曲线。由图可见，本发明的复合气敏元件比聚吡咯气敏元件具有更高的响应灵敏度。
图4所示为实施例3所制备的聚吡咯和钯纳米颗粒复合气敏元件对氨气及其它气体(二乙胺，三乙胺，甲醇，四氢呋喃，丙酮，正己烷)的响应灵敏度。其中氨气、二乙胺、三乙胺的浓度分别为2000ppm，甲醇，四氢呋喃，丙酮，正己烷的浓度分别为10000ppm。由图可见，复合气敏元件对氨气具有很好的响应选择性。
Claims (4)
1.聚吡咯和金属纳米颗粒复合气敏元件，其特征在于：它具有陶瓷基体(1)，在陶瓷基体表面光刻和蒸发有多对叉指金电极(2)，在叉指金电极上连接有引线(4)，在陶瓷基体和叉指金电极表面涂覆有气敏薄膜(3)，气敏薄膜为聚吡咯与钯纳米颗粒的复合膜。
2.根据权利要求1所述的聚吡咯和金属纳米颗粒复合气敏元件，其特征在于陶瓷基体表面的叉指金电极有8～16对，叉指金电极的叉指宽度为20～200μm，叉指间隙为20～200μm。
3.根据权利要求1所述的聚吡咯和金属纳米颗粒复合气敏元件的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)清洗表面光刻和蒸发有叉指金电极的陶瓷基体，烘干备用；
2)将氯化钯，聚苯乙烯磺酸钠，聚乙烯基吡咯烷酮加入去离子水中，氯化钯:聚苯乙烯磺酸钠中苯乙烯磺酸钠单元:聚乙烯基吡咯烷酮中乙烯基吡咯烷酮单元的摩尔比为1：1～10:1～10，配置氯化钯浓度为0.0012～0.0048mol/L的溶液，然后在溶液中加入甲醇，甲醇与去离子水的体积比为1:0.5～4，在50-80℃反应0.5～8h，得到前驱体溶液。
3)在步骤2)制备的前驱体溶液中加入浓度为0.005～0.08mol/L的过硫酸铵，将步骤1)的有叉指金电极的陶瓷基体浸渍于前驱体溶液中0.5～8min，提拉取出晾干后，在饱和吡咯蒸汽中于0～50℃下气相聚合0.1～12h，经无水乙醇和去离子水洗涤，晾干，得到聚吡咯和金属纳米颗粒复合气敏元件。
4.根据权利要求3所述聚吡咯和金属纳米颗粒复合气敏元件的制作方法，其特征在于：所说的叉指金电极的叉指宽度为20～200μm，叉指间隙为20～200μm。
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