CN109440159A - 一种基于聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器及其制备方法与应用 - Google Patents
一种基于聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器及其制备方法与应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109440159A CN109440159A CN201811271280.4A CN201811271280A CN109440159A CN 109440159 A CN109440159 A CN 109440159A CN 201811271280 A CN201811271280 A CN 201811271280A CN 109440159 A CN109440159 A CN 109440159A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- metalloporphyrin
- electro
- polypyrrole
- deposition
- sensor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
- C25D9/00—Electrolytic coating other than with metals
- C25D9/02—Electrolytic coating other than with metals with organic materials
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
Abstract
本发明涉及一种基于聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器及其制备方法与应用,属于气体传感器领域。该方法首先制备出金属四(4‑磺酸钠)苯基卟啉,然后将其溶于硫酸溶液中,并与吡咯混合均匀,制得电沉积液;随后采用双电极电化学沉积法,控制电压以及沉积时间,在ITO‑PET导电薄膜上进行电沉积,制得聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器。本发明的优点在于:制备工艺简单,可通过控制反应物种类和条件对传感器组成进行微观调控,获得对不同气体具有特异性响应的电沉积传感器。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器及其制备方法与应用,属于气体传感器领域。
技术背景
通常高分子材料(橡胶、塑料等)是属于绝缘体范畴,电子不能在分子链上和分子链间运动;而导电高分子(Electronically Conductive Polymer,ECP)是指在掺杂状态具有半导体或金属导体的电子电导率,并可以在掺杂态和脱掺杂态间快速转换的一种高分子材料。由于兼备导体的电性能和高分子的机械性能,ECP在电子与光子器件、电化学储能以及金属防腐等领域得到广泛的发展。ECP的共同特征是分子链具有单双键交替结构,含有离域p-电子共轭体系,因此也被称之为p-共轭高分子或简称为共轭高分子(共轭聚合物)。
聚吡咯(polypyrrole,PPy)又称为“吡咯黑”,在硫酸溶液中的电合成方法首次报道于1968年,是一种含有五元杂环(五元环上含杂原子N)的共轭聚合物。PPy膜具有电化学活性,其分子链上带正电荷,聚合物中还含有硫酸根离子来平衡电荷,故PPy分子可以在氧化态和还原态间连续转换,这使得膜内阴离子浓度和膜的电子电导率可以根据需要来调整。但纯PPy聚合物的室温电导率较低(约8S/cm),无法作为传感器或储能材料。随着ECP理论的出现,人们开始广泛研究掺杂离子对PPy性能的影响。PPy膜以分子链上的正电荷为主体,接受溶液中的阴离子,形成聚合物的p-型掺杂。在先前报道中,Cl-、TOS-、Br-、ClO4 -及CH3CH2COO-等离子的掺杂都能提升PPy聚合物的室温电导率。
卟啉(porphyrin)是由4个吡咯类亚基的a-碳原子通过次甲基桥(=CH)互联而形成的大分子化合物,广泛存在于自然界和生命体中。金属卟啉是由卟啉与金属离子形成的配位化合物,具有优良的气敏性能和化学性能,是检测挥发性有机化合物的理想敏感材料。如果在卟啉的四个苯环的对位外接-SO3Na基团,制备出四(4-磺酸钠)苯基卟啉(tpps4),然后与金属离子复合制备出的金属四(4-磺酸钠)苯基卟啉。将制备出的金属卟啉与吡咯(Py)混合均匀,在电场的作用下,沉积于ITO-PET导电薄膜表面,制备出的聚吡咯/金属卟啉薄膜将具有良好的导电性能,同时会对气体有特异性感应。当复合薄膜与气体接触时,电阻发生变化,对收集到的电阻变化数据进一步分析,即可获得气体种类及大致浓度,满足气体传感器的应用要求。
发明内容
本发明的目的在于克服PPy薄膜电导率较低的缺点,同时利用金属卟啉对气体响应的特性,提供一种基于聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器及其制备方法与应用。
本发明提供了一种基于聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器及其制备方法与应用,利用金属卟啉化合物和气体特异性结合时,电阻会发生变化的原理,以聚吡咯薄膜为导电基底,将金属卟啉通过电沉积的方式接枝于聚吡咯薄膜上,制备得到聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器。该方法既可以利用不同金属卟啉对特殊气体响应的特性,从电阻变化中推测气体成分,也可以改变金属卟啉添加量以调控电极片对特殊气体的灵敏度。当气体成分发生变化时,传感器的电阻会随之改变,具有较好的灵敏度和循环利用性能。
为实现本发明的目的所采用的技术方案如下:
一种基于聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器,采用两种有机化合物吡咯和金属卟啉共混制备
吡咯/金属卟啉电沉积液作为电解液。
优选地,所述吡咯/金属卟啉电沉积液的制备方法包括如下步骤:
(1)取适量四(4-磺酸钠)苯基卟啉(tpps4)与金属M的可溶性盐溶于去离子水中,加热到80-120℃,反应2-12h后,调节溶液的pH为6.0-7.0,对溶液进行提纯、烘干得到金属四(4-磺酸钠)苯基卟啉Mtpps4;
(2)将所得的Mtpps4溶于去离子水中,超声均匀,与硫酸溶液混合,超声均匀获得酸性溶液,再加入Py溶液,强烈搅拌后获得所述吡咯/金属卟啉电沉积液。
优选地,步骤(1)中,所述金属M为Co3+、Fe3+、Fe2+、Mn2+或Zn2+中的任一种。
优选地,步骤(1)中,所述金属可溶性盐为四水合乙酸钴(Co(OAc)2·4H2O)、二水合醋酸锌(Zn(OAc)2·2H2O)或醋酸亚铁(Fe(OAc)2·2H2O)中的任一种。
优选地,在步骤(1)中,所述提纯方法包括利用酸性阳离子交换树脂过柱、透析。
优选地,在步骤(2)中,Mtpps4浓度为1.0-3.0mmol/L、硫酸溶液的浓度为0.5-2mol/L、Py的浓度为1.0-3.0mol/L。
本发明还提供了上述基于聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器的制备方法,包括如下步骤:
以上述所得电沉积液为电解液,采用双电极电化学沉积法,制得聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器,随后在40-80℃环境下干燥12-24h,得到所述聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器。
优选地,以Pt电极为辅助电极(阴极),ITO-PET导电薄膜为工作电极(阳极)。
优选地,ITO-PET导电薄膜在使用前先后用无水乙醇和去离子水超声清洗5-10min,晾干备用。
优选地,所述的用双电极电化学沉积法采用恒定电压沉积,其条件是:电压1-3V(相对开路),沉积时间50-200s,辅助电极与工作电极间距为2cm,沉积面积为1cm×1cm。
本发明还提供了上述基于聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器的应用,用于特异性气体传感器,具体可用于H2、N2、NH3、O2、CH2=CH2、CO、CO2、二甲胺或三甲胺等气体的检测。
本发明所得聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器与特殊气体接触后可用N2将密闭容器内的气体排出,由于氛围中特殊气体浓度下降,传感器电阻将会减少,说明聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器具有良好的气体灵敏度和循环利用性能。
本发明采用双电极沉积法制备聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器,是利用聚吡咯膜的导电性能及金属卟啉与气体的特异性结合,从而引起电阻变化,实现完成传感器的运行。可通过控制反应物种类和条件对传感器组成进行微观调控,获得对不同气体具有特异性响应的电沉积传感器。
本发明所述的方法制备工艺简单,成本低廉,适用范围广,具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实例1制备的四(4-磺酸钠)苯基卟啉和四(4-磺酸钠)苯基锌卟啉的UV-Vis谱图;
图2为本发明实例1制备的聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器的FT-IR谱图;
图3为本发明实例1制备的聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器的SEM谱图;
图4为本发明实例1制备的聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器的氨气和氮气响应测试谱图;
图5为本发明实例1制备的聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器的氨气和氮气循环响应测试谱图。
具体实施方式:
以下用非限定性实施例对本发明作进一步具体详细描述,将有助于对本发明及其优点的理解,而不作为对本发明的限定,对于未特别注明的工艺参数,可参照常规技术进行。
实施例1
(1)取0.60g四(4-磺酸钠)苯基卟啉tpps4与1.68g Zn(OAc)2·2H2O溶于80mL去离子水中,随后加热到120℃。反应2h后,调节溶液的pH为6.0,利用酸性阳离子交换树脂过柱、透析等方法对溶液进行提纯,烘干制备四(4-磺酸钠)苯基锌卟啉(Zntpps4)。对所得Zntpps4进行UV-Vis测试,测试结果如图1所示。
(2)将0.03mmol Zntpps4溶于15mL去离子水中,超声5min后得到均一溶液。在均一溶液中加入15mL 2mol/L硫酸溶液进行酸化,随后将0.09mol Py加入溶液中并不停地强烈搅拌后获得混合溶液为电解液。采用恒定电压沉积(电压1V,沉积时间200s)在ITO-PET表面沉积获得PPy/Zntpps4电沉积传感器。
对所得PPy/Zntpps4电沉积传感器进行FT-IR及SEM测试,测试结果如图2、3所示。
在25℃下,将制备的PPy/Zntpps4电沉积传感器置于20cm*20cm*20cm的密闭容器中,随后以60ml/min的速度将N2或NH3通入,通入顺序和时间为:5min的N2、10min的NH3、5min的N2;20min N2。测试结果如图4所示,传感器电阻随着密闭容器内NH3浓度变化而实时变动,其最高变化率可达到约300%。该测试说明PPy/Zntpps4电沉积传感器可以灵敏检测NH3浓度。
在25℃下,将制备的PPy/Zntpps4电沉积传感器置于20cm*20cm*20cm的密闭容器中,随后以60ml/min的速度将N2或NH3通入,通入顺序和时间为:5min的N2、10min的NH3、10min的N2、10min的NH3、10min的N2、10min的NH3、10min的N2。测试结果如图5所示,传感器电阻随着密闭容器内NH3浓度变化而实时变动,并且具有良好的循环性能。
实施例2
(1)取0.60g四(4-磺酸钠)苯基卟啉tpps4与0.73g Co(OAc)2·4H2O溶于80mL去离子水中,随后加热到100℃。反应6h后,调节溶液的pH为6.5,利用酸性阳离子交换树脂过柱、透析等方法对溶液进行提纯,烘干制备四(4-磺酸钠)苯基钴卟啉(Cotpps4)。
(2)将0.06mmol Cotpps4溶于20mL去离子水中,超声10min后得到均一溶液。在均一溶液中加入10mL 2mol/L硫酸溶液进行酸化,随后将0.06mol Py加入溶液中并不停地强烈搅拌后获得混合溶液为电解液。采用恒定电压沉积(电压2V,沉积时间100s)在ITO-PET表面沉积获得PPy/Cotpps4电沉积传感器。
实施例3
(1)取0.60g四(4-磺酸钠)苯基卟啉tpps4与1.68g Fe(OAc)2·2H2O溶于80mL去离子水中,随后加热到80℃。反应12h后,调节溶液的pH为7.0,利用酸性阳离子交换树脂过柱、透析等方法对溶液进行提纯,烘干制备四(4-磺酸钠)苯基铁卟啉(Fetpps4)。
(2)将0.09mmol Fetpps4溶于10mL去离子水中,超声10min后得到均一溶液。在均一溶液中加入20mL 2mol/L硫酸溶液进行酸化,随后将0.03mol Py加入溶液中并不停地强烈搅拌后获得混合溶液为电解液。采用恒定电压沉积(电压3V,沉积时间50s)在ITO-PET表面沉积获得PPy/Fetpps4电沉积传感器。
Claims (10)
1.一种基于聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器,其特征在于,采用有机化合物吡咯和金属卟啉共混制备吡咯/金属卟啉电沉积液作为电解液。
2.根据权利要求1所述的基于聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器,其特征在于,所述吡咯/金属卟啉电沉积液的制备方法包括如下步骤:
(1)取适量四(4-磺酸钠)苯基卟啉(tpps4)与金属M的可溶性盐溶于去离子水中,加热到80-120℃,反应2-12h后,调节溶液的pH为6.0-7.0,对溶液进行提纯、烘干得到金属四(4-磺酸钠)苯基卟啉Mtpps4;
(2)将所得的Mtpps4溶于去离子水中,超声均匀,与硫酸溶液混合,超声均匀获得酸性溶液,再加入吡咯(Py)溶液,强烈搅拌后获得所述吡咯/金属卟啉电沉积液。
3.根据权利要求2所述的基于聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器,其特征在于,步骤(1)中,所述金属M为Co3+、Fe3+、Fe2+、Mn2+或Zn2+中的任一种。
4.根据权利要求2所述的基于聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器,其特征在于,步骤(1)中,所述金属可溶性盐为四水合乙酸钴(Co(OAc)2·4H2O)、二水合醋酸锌(Zn(OAc)2·2H2O)或醋酸亚铁(Fe(OAc)2·2H2O)中的任一种。
5.根据权利要求2所述的基于聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器,其特征在于,在步骤(1)中,所述提纯方法包括利用酸性阳离子交换树脂过柱、透析。
6.根据权利要求2所述的基于聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器,其特征在于,步骤(2)所得混合溶液中,Mtpps4浓度为1.0-3.0mmol/L、硫酸溶液的浓度为0.5-2mol/L、Py的浓度为1.0-3.0mol/L。
7.如权利要求1~6任一项所述基于聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
采用吡咯/金属卟啉电沉积液为电解液,采用双电极电化学沉积法,制得聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器,随后在40-80℃环境下干燥12-24h,得到所述聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器。
8.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于,所述的用双电极电化学沉积法采用恒定电压沉积,其条件是:电压1-3V(相对开路),沉积时间50-200s,辅助电极与工作电极间距为2cm,沉积面积为1cm×1cm。
9.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于,以Pt电极为辅助电极(阴极),ITO-PET导电薄膜为工作电极(阳极)。
10.权利要求1~6任一项所述基于聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器的应用,其特征在于,用于特异性气体传感器。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201811271280.4A CN109440159A (zh) | 2018-10-29 | 2018-10-29 | 一种基于聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器及其制备方法与应用 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201811271280.4A CN109440159A (zh) | 2018-10-29 | 2018-10-29 | 一种基于聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器及其制备方法与应用 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN109440159A true CN109440159A (zh) | 2019-03-08 |
Family
ID=65549813
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201811271280.4A Pending CN109440159A (zh) | 2018-10-29 | 2018-10-29 | 一种基于聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器及其制备方法与应用 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN109440159A (zh) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1885025A (zh) * | 2006-07-11 | 2006-12-27 | 电子科技大学 | 有机氧化氮敏感复合材料及氧化氮气体传感器 |
CN101880903A (zh) * | 2009-12-28 | 2010-11-10 | 上海大学 | Co2存在下电化学制备导电性高分子薄膜的方法 |
CN108550469A (zh) * | 2018-04-20 | 2018-09-18 | 南京邮电大学 | 一种金属卟啉框架/聚吡咯复合柔性电极的制备方法和应用 |
-
2018
- 2018-10-29 CN CN201811271280.4A patent/CN109440159A/zh active Pending
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1885025A (zh) * | 2006-07-11 | 2006-12-27 | 电子科技大学 | 有机氧化氮敏感复合材料及氧化氮气体传感器 |
CN101880903A (zh) * | 2009-12-28 | 2010-11-10 | 上海大学 | Co2存在下电化学制备导电性高分子薄膜的方法 |
CN108550469A (zh) * | 2018-04-20 | 2018-09-18 | 南京邮电大学 | 一种金属卟啉框架/聚吡咯复合柔性电极的制备方法和应用 |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
吴宝璋 等: "氧在铁卟啉/聚吡咯膜修饰碳电极上的还原", 《应用化学》 * |
胡满成 等: "《大学综合化学实验》", 30 June 2009 * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Liu et al. | Metal–organic frameworks for electrochemical applications | |
Ates | Review study of electrochemical impedance spectroscopy and equivalent electrical circuits of conducting polymers on carbon surfaces | |
Li et al. | New polymerized ionic liquid (PIL) gel electrolyte membranes based on tetraalkylammonium cations for lithium ion batteries | |
Planes et al. | Spectroscopic evidence for intermediate species formed during aniline polymerization and polyaniline degradation | |
Feng et al. | Self-degradable template synthesis of polyaniline nanotubes and their high performance in the detection of dopamine | |
AU2006243103B2 (en) | Conductive material and conductive film and process for producing them | |
Song et al. | Conjugated polymer energy level shifts in lithium-ion battery electrolytes | |
Wang et al. | Conjugated Microporous Polytetra (2‐Thienyl) ethylene as High Performance Anode Material for Lithium‐and Sodium‐Ion Batteries | |
Gmucová et al. | Electrochemical spectroscopic methods for the fine band gap electronic structure mapping in organic semiconductors | |
MXPA05001553A (es) | Formulaciones de politiofeno para la mejora de los diodos luminiscentes, organicos. | |
Kumar et al. | Effect of MgO nanoparticles on ionic conductivity and electrochemical properties of nanocomposite polymer electrolyte | |
Hichem et al. | Optical, electrical and photoelectrochemical characterization of electropolymerized poly methylene blue on fluorine doped tin oxide conducting glass | |
Yang et al. | Electroactive and sustainable Cu-MoF/PEDOT composite electrocatalysts for multiple redox mediators and for high-performance dye-sensitized solar cells | |
Mateos et al. | Comprehensive study of poly (2, 3, 5, 6-tetrafluoroaniline): from electrosynthesis to heterojunctions and ammonia sensing | |
Mateos et al. | Modulation of the organic heterojunction behavior, from electrografting to enhanced sensing properties | |
Praveena et al. | Camphor sulphonic acid doped novel polycarbazole-gC 3 N 4 as an efficient electrode material for supercapacitor | |
Ehsani et al. | Electrosynthesis and physioelectrochemical properties of poly tyramine electroactive film in the presence of the surfactant: comparable study | |
WO2012121417A1 (en) | Conducting polymer / redox polymer blends via in-situ oxidative polymerization - preparation methods and application as an electro-active polymeric materials | |
Momma et al. | Effect of the atmosphere on chemical composition and electrochemical properties of solid electrolyte interface on electrodeposited Li metal | |
Almubayedh et al. | Electrosynthesis and characterization of stable radical-functionalized oligo/polythiophenes | |
Yamamoto et al. | π-Conjugated polymers bearing electronic and optical functionalities. Preparation, properties and their applications | |
JPS63215722A (ja) | 電導性ポリアニリン系化合物の製造方法 | |
CN109440159A (zh) | 一种基于聚吡咯/金属卟啉电沉积传感器及其制备方法与应用 | |
Ates et al. | Copolymer formation of 9-(2-(benzyloxy) ethyl)-9 H-carbazole and 1-tosyl-1 H-pyrrole coated on glassy carbon electrode and electrochemical impedance spectroscopy | |
Friebe et al. | Emitting electrode coatings with redox-switchable conductivity: incorporation of ruthenium (II)-2, 6-di (quinolin-8-yl) pyridine complexes into polythiophene by electropolymerization |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190308 |