CN113340947A - 一种聚苯胺空心球/MXene复合氨气气敏材料的制备方法 - Google Patents

一种聚苯胺空心球/MXene复合氨气气敏材料的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113340947A
CN113340947A CN202110558460.6A CN202110558460A CN113340947A CN 113340947 A CN113340947 A CN 113340947A CN 202110558460 A CN202110558460 A CN 202110558460A CN 113340947 A CN113340947 A CN 113340947A
Authority
CN
China
Prior art keywords
sensitive material
mxene
hollow sphere
gas
product
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.)
Granted
Application number
CN202110558460.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113340947B (zh
Inventor
李长平
蔡阳
文翔宇
李琢
王玉伟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dongguan University of Technology
Original Assignee
Dongguan University of Technology
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dongguan University of Technology filed Critical Dongguan University of Technology
Priority to CN202110558460.6A priority Critical patent/CN113340947B/zh
Publication of CN113340947A publication Critical patent/CN113340947A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113340947B publication Critical patent/CN113340947B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/125—Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer
    • G01N27/126—Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer comprising organic polymers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/125—Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer
    • G01N27/127—Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer comprising nanoparticles
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A50/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE in human health protection, e.g. against extreme weather
    • Y02A50/20—Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
  • Macromolecular Compounds Obtained By Forming Nitrogen-Containing Linkages In General (AREA)

Abstract

本发明提供一种聚苯胺空心球/MXene复合氨气气敏材料的制备方法，具体步骤如下：(1)高分子柔性衬底的制备；(2)纳米级磺化聚苯乙烯球模板的合成；(3)制备聚苯胺空心球/MXene复合气敏材料：其中所述手风琴状MXene与所述苯胺质量比1.0～30wt％，将反应得到的产物即为聚苯胺空心球/MXene复合气敏材料，沉积了该复合气敏材料的柔性衬底即为制备的NH3传感器。本发明所制备的聚苯胺空心球/MXene气敏材料具有均匀分散的复合结构，手风琴状MXene的引入有效地改善聚苯胺导电性，同时其表面丰富的官能团有助于提升聚苯胺的气敏性能。柔性衬底上不需沉积电极，成本低廉、步骤简单可控、柔韧性好、灵敏度高、可在室温下实现NH3的检测。

Description

一种聚苯胺空心球/MXene复合氨气气敏材料的制备方法
技术领域
本发明涉及纳米功能材料技术领域，具体涉及一种聚苯胺空心球/MXene复合氨气气敏材料的制备方法。
背景技术
随着工业技术的飞速发展，有毒有害气体可以来自人们生活和工作的诸多方面，对大气环境及微环境中有毒有害气体成分和浓度的实时、快速检测对于人类活动至关重要。氨气(NH3)是一种无色且具有刺激性臭味的有毒气体，其来源十分广泛，低浓度的NH3即可严重危害人类身体健康和影响养殖动物的生长和繁殖能力。此外，NH3可以作为标志物用于诊断人体健康疾病以及食品新鲜度等的检测。因此，实现NH3的实时、快速检测显得尤为重要。目前，气体检测技术主要有光学方法、色谱法、电极电位法、气体传感器等。其中，气体传感器因其集成程度高、便于携带以及能原位实时监测等优势而被广泛应用，而气体传感器的气敏特性则取决于其核心部件气敏材料。
导电高分子聚苯胺(PANI)因其成本低、易合成、可逆的掺杂/去掺杂以及对NH3独有的敏感特性等特点而被认为是最有前途的室温NH3敏感材料，因而基于PANI的NH3传感器研究引起了人们的广泛兴趣。但是，以单纯的PANI作为敏感材料的NH3传感器通常存在灵敏度低、选择性差等缺点，这限制了传感器的实际应用。为了提高这类NH3传感器的气敏性能，通常的策略是将PANI与其他材料复合，利用不同材料间的协同作用以改善传感器的气敏性能。因此，开发一种高性能的PANI复合室温气敏材料具有重要的研究价值。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种聚苯胺空心球/MXene复合氨气气敏材料的制备方法，该气敏材料为聚苯胺空心球/MXene复合材料。。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种聚苯胺空心球/MXene复合氨气气敏材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)高分子柔性衬底的制备：将柔性PET或PI衬底剪裁成长度为20mm，宽度为10mm，分别采用去离子水、丙酮和乙醇依次进行超声洗涤，超声频率30～50KHZ，超声洗涤时间均为5～15min，干燥后用氧等离子体处理所述柔性PET或PI衬底10～30min，留待使用；
(2)纳米级磺化聚苯乙烯球模板的合成：取0.01～1.0g C12H25SO4Na和0.01～0.1gNa2CO3溶于100ml去离子水中，充氮搅拌20～40min；再加入1～50ml苯乙烯继续搅拌20～40min；再将0.01～0.05g K2S2O8加入到上述溶液，在50～80℃下搅拌反应8～36h，搅拌速度500～800rpm，用无水乙醇、去离子水交替洗涤，将产物40～60℃下真空干燥11～13h，取0.1～1.0g上述产物加入到1.0～10ml的质量分数98％的浓H2SO4中，在室温下搅拌反应8～12h，用去离子水、无水乙醇交替洗涤，将产物50～70℃下真空干燥11～13h，得到纳米级磺化聚苯乙烯球；
(3)制备聚苯胺空心球/MXene复合气敏材料：将50～200uL苯胺、0.1～10ml磺化聚苯乙烯水分散液和手风琴状MXene分别依次加入到100ml的1M盐酸中，所述手风琴状MXene与所述苯胺质量比1.0～30wt％，超声频率30～50KHZ，超声分散0.5～1.5h；接着将(NH4)2S2O8溶液缓慢加入上述混合液，同时放入步骤(1)处理过的PET或PI衬底，冰水浴下反应3～8h；取出所述PET或所述PI衬底，并将反应液离心收集产物，将所述PET或所述PI衬底和产物先浸入DMF中11～13h，再浸入到1M质子酸中0.5～12h，室温干燥后，产物即为聚苯胺空心球/MXene复合气敏材料，沉积了该复合气敏材料的柔性衬底即为制备的NH3传感器。
优选地，所述步骤(2)中的纳米级磺化聚苯乙烯球模板的合成：取0.067gC12H25SO4Na和0.033g Na2CO3溶于100ml去离子水中，充氮搅拌30min；再加入10ml苯乙烯继续搅拌30min；再将0.021g K2S2O8加入到上述溶液，在75℃下搅拌反应20h，搅拌速度800rpm，用无水乙醇、去离子水交替洗涤，将产物50℃下真空干燥12h，取0.5g上述产物加入到5ml的质量分数98％的浓H2SO4中，在室温下搅拌反应10h，用去离子水、无水乙醇交替洗涤，将产物60℃下真空干燥12h，得到纳米级磺化聚苯乙烯球。
优选地，所述步骤(3)中制备聚苯胺空心球/MXene复合气敏材料：将91uL苯胺、0.5ml磺化聚苯乙烯水分散液和手风琴状MXene分别依次加入到100ml的1M盐酸中，所述手风琴状MXene与所述苯胺质量比10wt％，超声频率40KHZ，超声分散1h；
优选地，所述步骤(3)中接着将(NH4)2S2O8溶液缓慢加入上述混合液，同时放入步骤(1)处理过的PET或PI衬底，冰水浴下反应6h；
优选地，所述步骤(3)中取出所述PET或所述PI衬底，并将反应液离心收集产物，将所述PET或所述PI衬底和产物先浸入DMF中12h，再浸入到1M质子酸中6h，室温干燥后，产物即为聚苯胺空心球/MXene复合气敏材料，沉积了该复合气敏材料的柔性衬底即为制备的NH3传感器；所述磺化聚苯乙烯水分散液为5～50mg/ml。
优选地，所述步骤(3)中的所述手风琴状MXene为Ti3C2、Ti2C、Nb3C4、Nb2C、V3C2、V2C、Ta4C3、Ta2C和Mo2C中的一种。
优选地，所述步骤(3)中的所述手风琴状MXene与所述苯胺质量比5～10wt％。
优选地，所述步骤(3)中所述(NH4)2S2O8溶液为100～500mg(NH4)2S2O8溶于5ml的1M盐酸中制备而得。
优选地，所述步骤(3)中所述质子酸为盐酸、硫酸、高氯酸、十二烷基苯磺酸或植酸。
优选地，所述步骤(1)中干燥后用氧等离子体处理所述柔性PET或PI衬底20min。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用MXene为二维过渡金属碳化物或氮化物，是一类新型的二维层状结构材料。MXene因具有较大的比表面积、丰富的表面官能团、高金属电导率以及多种溶剂中分散良好等特点，本发明利用原位聚合法和模板法设计制备了手风琴状结构的MXene与PANI空心球复合的新型敏感材料，并沉积到廉价的高分子柔性衬底，获得了基于该复合敏感材料的具有较高灵敏度的柔性室温NH3传感器。
(2)本发明所制备的聚苯胺空心球/MXene气敏材料具有均匀分散的复合结构，手风琴状MXene的引入有效地改善聚苯胺导电性，同时其表面丰富的官能团有助于提升聚苯胺的气敏性能；聚苯胺空心球结构具有大比表面积、气体透过性强等优点，其可以有效地增大MXene层间距离，增强复合材料与气体接触面积，提高复合材料的气敏性能。基于该复合气敏材料所制备的NH3传感器，柔性衬底上不需沉积电极，成本低廉、步骤简单可控、柔韧性好、灵敏度高、可在室温下实现NH3的检测。利用本发明开发的传感器在室温下对10ppm的NH3的灵敏度为2.66，且重复性好、实时高效。
附图说明
图1是本发明实施例4制备聚苯胺空心球/MXene复合气敏材料的SEM图。
图2是本发明对比例1制备的聚苯胺空心球的TEM图。
图3是本发明实施例1～6与对比例1所制备的传感器对10ppm NH3的灵敏度图。通过图3可看出，实施例4制备的传感器对10ppm NH3的灵敏度高达2.66(灵敏度S:S＝ΔR/Ro,其中ΔR为传感器在NH3和空气中的电阻差值，Ro为传感器在空气中电阻值)。
图4是本发明实施例4所制备的传感器对1.0-100ppm NH3的响应曲线图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合具体实施例对本发明的技术方案进行以下详细说明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
一种聚苯胺空心球/MXene复合氨气气敏材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将柔性PET衬底剪裁成长度为20mm,宽度为10mm的长方形，分别采用去离子水、丙酮和乙醇依次进行超声洗涤，超声频率30KHZ，超声洗涤时间均为10min，留待使用。
(2)取0.067g C12H25SO4Na和0.033g Na2CO3溶于100ml去离子水中，充氮搅拌30min，加入10ml苯乙烯继续搅拌30min；接着，将0.021g K2S2O8加入到上述溶液，75℃下搅拌反应20h，搅拌速度500rpm，用无水乙醇、去离子水交替洗涤，将产物50℃下真空干燥12h。取0.1g上述产物加入到1.0ml的质量分数98％的浓H2SO4中，在室温下搅拌反应8h，用去离子水、无水乙醇交替洗涤，将产物60℃下真空干燥12h，得到纳米级磺化聚苯乙烯球。
(3)将91.16uL苯胺、0.5ml磺化聚苯乙烯水分散液(20.8mg/ml)和手风琴状MXene(Ti3C2MXene)分别依次加入到100ml的1M盐酸中，手风琴状MXene与苯胺质量比1.0wt％,超声频率30KHZ，超声分散1h；接着将(NH4)2S2O8溶液(228.2mg溶于5ml的1M盐酸)缓慢加入上述混合液，同时放入处理过的PET衬底，冰水浴下反应6h；取出柔性衬底，并将反应液离心收集产物，将柔性衬底和产物先浸入DMF中12h，再浸入1M硫酸中6h，室温干燥后，产物即为聚苯胺空心球/MXene复合气敏材料，沉积了该复合气敏材料的柔性衬底即为制备的NH3传感器。
(4)将制备的NH3传感器置于测试瓶中，通过动态配气的方法为测试瓶提供空气、10ppm NH3气氛，传感器连接到电化学工作站采用电流-时间曲线模式实施检测，利用数学方法将电流变化转化成为响应变化，计算得到该传感器的灵敏度为1.19。
实施例2
一种聚苯胺空心球/MXene复合氨气气敏材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将柔性PET衬底剪裁成为长度为20mm，宽度为10mm，分别采用去离子水、丙酮和乙醇依次进行超声洗涤，超声频率40KHZ，超声洗涤时间均为10min，留待使用。
(2)取0.067g C12H25SO4Na和0.033g Na2CO3溶于100ml去离子水中，充氮搅拌30min，加入10ml苯乙烯继续搅拌30min；接着，将0.021g K2S2O8加入到上述溶液，75℃下搅拌反应20h，搅拌速度600rpm，用无水乙醇、去离子水交替洗涤，将产物50℃下真空干燥12h。取0.1g上述产物加入到1.0ml的质量分数98％的浓H2SO4中，在室温下搅拌反应8h，用去离子水、无水乙醇交替洗涤，将产物60℃下真空干燥12h，得到纳米级磺化聚苯乙烯球。
(3)将91.16uL苯胺、0.5ml磺化聚苯乙烯水分散液(20.8mg/ml)和手风琴状MXene(Ti3C2MXene)分别依次加入到100ml的1M盐酸中，手风琴状MXene与苯胺质量比2.0wt％,超声频率40KHZ，超声分散1h；接着将(NH4)2S2O8溶液(228.2mg溶于5ml的1M盐酸)缓慢加入上述混合液，同时放入处理过的PET衬底，冰水浴下反应6h；取出柔性衬底，并将反应液离心收集产物，将柔性衬底和产物先浸入DMF中12h，再浸入1M高氯酸中6h，室温干燥后，产物即为聚苯胺空心球/MXene复合气敏材料，沉积了该复合气敏材料的柔性衬底即为制备的NH3传感器。
(4)将制备的NH3传感器置于测试瓶中，通过动态配气的方法为测试瓶提供空气、10ppm NH3气氛，传感器连接到电化学工作站采用电流-时间曲线模式实施检测，利用数学方法将电流变化转化成为响应变化，计算得到该传感器的灵敏度为1.61。
实施例3
一种聚苯胺空心球/MXene复合氨气气敏材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将柔性PET衬底剪裁成为长度为20mm，宽度为10mm，分别采用去离子水、丙酮和乙醇依次进行超声洗涤，超声频率50KHZ，超声洗涤时间均为10min，留待使用。
(2)取0.067g C12H25SO4Na和0.033g Na2CO3溶于100ml去离子水中，充氮搅拌30min，加入10ml苯乙烯继续搅拌30min；接着，将0.021g K2S2O8加入到上述溶液，75℃下搅拌反应20h，搅拌速度700rpm，用无水乙醇、去离子水交替洗涤，将产物50℃下真空干燥12h。取0.1g上述产物加入到1.0ml的质量分数98％的浓H2SO4中，在室温下搅拌反应8h，用去离子水、无水乙醇交替洗涤，将产物60℃下真空干燥12h，得到纳米级磺化聚苯乙烯球。
(3)将91.16uL苯胺、0.5ml磺化聚苯乙烯水分散液(20.8mg/ml)和手风琴状MXene(Ti3C2MXene)分别依次加入到100ml的1M盐酸中，手风琴状MXene与苯胺质量比5.0wt％,超声频率50KHZ，超声分散1h；接着将(NH4)2S2O8溶液(228.2mg溶于5ml的1M盐酸)缓慢加入上述混合液，同时放入处理过的PET衬底，冰水浴下反应6h；取出柔性衬底，并将反应液离心收集产物，将柔性衬底和产物先浸入DMF中12h，再浸入1M十二烷基苯磺酸中6h，室温干燥后，产物即为聚苯胺空心球/MXene复合气敏材料，沉积了该复合气敏材料的柔性衬底即为制备的NH3传感器。
(4)将制备的NH3传感器置于测试瓶中，通过动态配气的方法为测试瓶提供空气、10ppm NH3气氛，传感器连接到电化学工作站采用电流-时间曲线模式实施检测，利用数学方法将电流变化转化成为响应变化，计算得到该传感器的灵敏度为1.98。
实施例4
一种聚苯胺空心球/MXene复合氨气气敏材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将柔性PET衬底剪裁成为长度为20mm，宽度为10mm，分别采用去离子水、丙酮和乙醇依次进行超声洗涤，超声频率30KHZ，超声洗涤时间均为10min，留待使用。
(2)取0.067g C12H25SO4Na和0.033g Na2CO3溶于100ml去离子水中，充氮搅拌30min，加入10ml苯乙烯继续搅拌30min；接着，将0.021g K2S2O8加入到上述溶液，75℃下搅拌反应20h，搅拌速度800rpm，用无水乙醇、去离子水交替洗涤，将产物50℃下真空干燥12h。取0.1g上述产物加入到1.0ml的质量分数98％的浓H2SO4中，在室温下搅拌反应8h，用去离子水、无水乙醇交替洗涤，将产物60℃下真空干燥12h，得到纳米级磺化聚苯乙烯球。
(3)将91.16uL苯胺、0.5ml磺化聚苯乙烯水分散液(20.8mg/ml)和手风琴状MXene(Ti3C2MXene)分别依次加入到100ml的1M盐酸中，手风琴状MXene与苯胺质量比10wt％,超声频率30KHZ，超声分散1h；接着将(NH4)2S2O8溶液(228.2mg溶于5ml的1M盐酸)缓慢加入上述混合液，同时放入处理过的PET衬底，冰水浴下反应6h；取出柔性衬底，并将反应液离心收集产物，将柔性衬底和产物先浸入DMF中12h，再浸入1M盐酸中6h，室温干燥后，产物即为聚苯胺空心球/MXene复合气敏材料，沉积了该复合气敏材料的柔性衬底即为制备的NH3传感器。
(4)将制备的NH3传感器置于测试瓶中，通过动态配气的方法为测试瓶提供空气、10ppm NH3气氛，传感器连接到电化学工作站采用电流-时间曲线模式实施检测，利用数学方法将电流变化转化成为响应变化，计算得到该传感器的灵敏度为2.66。
实施例5
一种聚苯胺空心球/MXene复合氨气气敏材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将柔性PET衬底剪裁成为长度为20mm，宽度为10mm，分别采用去离子水、丙酮和乙醇依次进行超声洗涤，超声频率40KHZ，超声洗涤时间均为10min，留待使用。
(2)取0.067g C12H25SO4Na和0.033g Na2CO3溶于100ml去离子水中，充氮搅拌30min，加入10ml苯乙烯继续搅拌30min；接着，将0.021g K2S2O8加入到上述溶液，75℃下搅拌反应20h，搅拌速度500rpm，用无水乙醇、去离子水交替洗涤，将产物50℃下真空干燥12h。取0.1g上述产物加入到1.0ml的质量分数98％的浓H2SO4中，在室温下搅拌反应8h，用去离子水、无水乙醇交替洗涤，将产物60℃下真空干燥12h，得到纳米级磺化聚苯乙烯球。
(3)将91.16uL苯胺、0.5ml磺化聚苯乙烯水分散液(20.8mg/ml)和手风琴状MXene(Ti3C2MXene)分别依次加入到100ml的1M盐酸中，手风琴状MXene与苯胺质量比20wt％,超声频率40KHZ，超声分散1h；接着将(NH4)2S2O8溶液(228.2mg溶于5ml的1M盐酸)缓慢加入上述混合液，同时放入处理过的PET衬底，冰水浴下反应6h；取出柔性衬底，并将反应液离心收集产物，将柔性衬底和产物先浸入DMF中12h，再浸入1M植酸中6h，室温干燥后，产物即为聚苯胺空心球/MXene复合气敏材料，沉积了该复合气敏材料的柔性衬底即为制备的NH3传感器。
(4)将制备的NH3传感器置于测试瓶中，通过动态配气的方法为测试瓶提供空气、10ppm NH3气氛，传感器连接到电化学工作站采用电流-时间曲线模式实施检测，利用数学方法将电流变化转化成为响应变化，计算得到该传感器的灵敏度为1.80。
实施例6
一种聚苯胺空心球/MXene复合氨气气敏材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将柔性PET衬底剪裁成为长度为20mm，宽度为10mm，分别采用去离子水、丙酮和乙醇依次进行超声洗涤，超声频率50KHZ，超声洗涤时间均为10min，留待使用。
(2)取0.067g C12H25SO4Na和0.033g Na2CO3溶于100ml去离子水中，充氮搅拌30min，加入10ml苯乙烯继续搅拌30min；接着，将0.021g K2S2O8加入到上述溶液，75℃下搅拌反应20h，搅拌速度600rpm，用无水乙醇、去离子水交替洗涤，将产物50℃下真空干燥12h。取0.1g上述产物加入到1.0ml的质量分数98％的浓H2SO4中，在室温下搅拌反应8h，用去离子水、无水乙醇交替洗涤，将产物60℃下真空干燥12h，得到纳米级磺化聚苯乙烯球。
(3)将91.16uL苯胺、0.5ml磺化聚苯乙烯水分散液(20.8mg/ml)和手风琴状MXene(Ti3C2MXene)分别依次加入到100ml的1M盐酸中，手风琴状MXene与苯胺质量比30wt％,超声频率50KHZ，超声分散1h；接着将(NH4)2S2O8溶液(228.2mg溶于5ml的1M盐酸)缓慢加入上述混合液，同时放入处理过的PET衬底，冰水浴下反应6h；取出柔性衬底，并将反应液离心收集产物，将柔性衬底和产物先浸入DMF中12h，再浸入1M盐酸中6h，室温干燥后，产物即为聚苯胺空心球/MXene复合气敏材料，沉积了该复合气敏材料的柔性衬底即为制备的NH3传感器。
(4)将制备的NH3传感器置于测试瓶中，通过动态配气的方法为测试瓶提供空气、10ppm NH3气氛，传感器连接到电化学工作站采用电流-时间曲线模式实施检测，利用数学方法将电流变化转化成为响应变化，计算得到该传感器的灵敏度为1.27。
实施例7
一种聚苯胺空心球/MXene复合氨气气敏材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)高分子柔性衬底的制备：将柔性PI衬底剪裁成为长度为20mm，宽度为10mm，分别采用去离子水、丙酮和乙醇依次进行超声洗涤，超声频率30KHZ，超声洗涤时间均为10min，干燥后用氧等离子体处理所述柔性PI衬底10min，留待使用。
(2)纳米级磺化聚苯乙烯球模板的合成：取0.01g C12H25SO4Na和0.01g Na2CO3溶于100ml去离子水中，充氮搅拌20min；再加入1ml苯乙烯继续搅拌20min；再将0.01～0.05gK2S2O8加入到上述溶液，在75℃下搅拌反应8h，搅拌速度700rpm，用无水乙醇、去离子水交替洗涤，将产物40℃下真空干燥11h，取0.1g上述产物加入到1.0ml的质量分数98％的浓H2SO4中，在室温下搅拌反应8h，用去离子水、无水乙醇交替洗涤，将产物50℃下真空干燥11h，得到纳米级磺化聚苯乙烯球。
(3)制备聚苯胺空心球/MXene复合气敏材料：将50uL苯胺、0.1ml磺化聚苯乙烯水分散液和手风琴状MXene(Ti3C2MXene)分别依次加入到100ml的1M盐酸中，所述手风琴状MXene与所述苯胺质量比1.0wt％，超声频率30KHZ，超声分散0.5h；接着将(NH4)2S2O8溶液缓慢加入上述混合液，同时放入步骤(1)处理过的PI衬底，冰水浴下反应3h；取出所述PI衬底，并将反应液离心收集产物，将所述PI衬底和产物先浸入DMF中11h，再浸入到1M质子酸中0.5h，室温干燥后，产物即为聚苯胺空心球/MXene复合气敏材料，沉积了该复合气敏材料的柔性衬底即为制备的NH3传感器。
(4)将制备的NH3传感器置于测试瓶中，通过动态配气的方法为测试瓶提供空气、10ppm NH3气氛，传感器连接到电化学工作站采用电流-时间曲线模式实施检测，利用数学方法将电流变化转化成为响应变化，计算得到该传感器的灵敏度为1.02。
实施例8
一种聚苯胺空心球/MXene复合氨气气敏材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)高分子柔性衬底的制备：将柔性PI衬底剪裁成为长度为20mm，宽度为10mm，分别采用去离子水、丙酮和乙醇依次进行超声洗涤，超声频率40KHZ，超声洗涤时间均为10min，干燥后用氧等离子体处理所述柔性PI衬底30min，留待使用。
(2)纳米级磺化聚苯乙烯球模板的合成：取1.0g C12H25SO4Na和0.1gNa2CO3溶于100ml去离子水中，充氮搅拌40min；再加入50ml苯乙烯继续搅拌40min；再将0.05g K2S2O8加入到上述溶液，在80℃下搅拌反应36h，搅拌速度800rpm，用无水乙醇、去离子水交替洗涤，将产物60℃下真空干燥13h，取1.0g上述产物加入到10ml的质量分数98％的浓H2SO4中，在室温下搅拌反应12h，用去离子水、无水乙醇交替洗涤，将产物70℃下真空干燥13h，得到纳米级磺化聚苯乙烯球。
(3)制备聚苯胺空心球/MXene复合气敏材料：将200uL苯胺、10ml磺化聚苯乙烯水分散液和手风琴状MXene(Ti3C2MXene)分别依次加入到100ml的1M盐酸中，所述手风琴状MXene与所述苯胺质量比30wt％，超声频率40KHZ，超声分散1.5h；接着将(NH4)2S2O8溶液缓慢加入上述混合液，同时放入步骤(1)处理过的PET或PI衬底，冰水浴下反应8h；取出所述PI衬底，并将反应液离心收集产物，将所述PI衬底和产物先浸入DMF中13h，再浸入到1M质子酸中12h，室温干燥后，产物即为聚苯胺空心球/MXene复合气敏材料，沉积了该复合气敏材料的柔性衬底即为制备的NH3传感器。
(4)将制备的NH3传感器置于测试瓶中，通过动态配气的方法为测试瓶提供空气、10ppm NH3气氛，传感器连接到电化学工作站采用电流-时间曲线模式实施检测，利用数学方法将电流变化转化成为响应变化，计算得到该传感器的灵敏度为1.15。
对比例1
(1)将柔性PET衬底剪裁成为长度为20mm，宽度为10mm，分别采用去离子水、丙酮和乙醇依次进行超声洗涤，超声频率40KHZ，超声洗涤时间均为10min，留待使用。
(2)取0.067g C12H25SO4Na和0.033g Na2CO3溶于100ml去离子水中，充氮搅拌30min，加入10ml苯乙烯继续搅拌30min；接着，将0.021g K2S2O8加入到上述溶液，75℃下搅拌反应20h，搅拌速度500rpm，用无水乙醇、去离子水交替洗涤，将产物50℃下真空干燥12h。取0.1g上述产物加入到1.0ml的质量分数98％的浓H2SO4中，在室温下搅拌反应8h，用去离子水、无水乙醇交替洗涤，将产物60℃下真空干燥12h，得到纳米级磺化聚苯乙烯球。
(3)将91.16uL苯胺、0.5ml磺化聚苯乙烯水分散液(20.8mg/ml)，超声分散1h；接着将(NH4)2S2O8溶液(228.2mg溶于5ml的1M盐酸)缓慢加入上述混合液，同时放入处理过的PET衬底，冰水浴下反应6h；取出柔性衬底，并将反应液离心收集产物，将柔性衬底和产物先浸入DMF中12h，再浸入1M盐酸中6h，室温干燥后，产物即为聚苯胺空心球气敏材料，沉积了该气敏材料的柔性衬底即为制备的NH3传感器。
(4)将制备的NH3传感器置于测试瓶中，通过动态配气的方法为测试瓶提供空气、10ppm NH3气氛，传感器连接到电化学工作站采用电流-时间曲线模式实施检测，利用数学方法将电流变化转化成为响应变化，计算得到该传感器的灵敏度为0.78。
实验检测
本发明采用实施例1～6和对比例1制备的传感器连接到电化学工作站采用电流-时间曲线模式实施检测，利用数学方法将电流变化转化成为响应变化，对10ppm NH3的灵敏度进行了检测，结果如图3所示，手风琴状Ti3C2MXene的加入可以有效提高PANI空心球气敏材料的灵敏度。随着手风琴状Ti3C2MXene添加量的增加，聚苯胺空心球/MXene复合气敏材料的灵敏度先提高后下降的趋势，在添加量为10％时对10ppm NH3具有最高的灵敏度2.66。
本发明采用实施例4制备的传感器接到电化学工作站采用电流-时间曲线模式实施检测，利用数学方法将电流变化转化成为响应变化，对1.0-100ppm NH3灵敏度进行了检测，结果如图4所示，基于该复合气敏材料所制备的传感器在1.0-100ppm下的响应随NH3浓度的增加而逐步提高，并且比基于PANI空心球材料制备的传感器在对应浓度下的响应要高。
本发明采用实施例4制备的聚苯胺空心球/MXene复合气敏材料进行了SEM得到图1，如图1所示，Ti3C2MXene具有明显的手风琴状结构，且PANI空心球紧密的结合在Ti3C2MXene的表面及层间。
本发明采用对比例1制备的聚苯胺空心球进行了TEM得到图2，如图2所示，PANI球的平均直径在150nm左右，且其具有空心结构。
以上实施例对本发明的产品及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体例对本发明的主要步骤及实施方式进行了阐述，上述实施例只是帮助理解本发明的方法及核心原理。对于本领域的技术人员，依据本发明的核心原理，在具体实施中会对各条件和参数根据需要而变动，综上所述，本说明书不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种聚苯胺空心球/MXene复合氨气气敏材料的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：
(1)高分子柔性衬底的制备：将柔性PET或PI衬底剪裁成长度为20mm，宽度为10mm，分别采用去离子水、丙酮和乙醇依次进行超声洗涤，超声频率30～50KHZ，超声洗涤时间均为5～15min，干燥后用氧等离子体处理所述柔性PET或PI衬底10～30min，留待使用；
(2)纳米级磺化聚苯乙烯球模板的合成：取0.01～1.0g C12H25SO4Na和0.01～0.1gNa2CO3溶于100ml去离子水中，充氮搅拌20～40min；再加入1～50ml苯乙烯继续搅拌20～40min；再将0.01～0.05g K2S2O8加入到上述溶液，在50～80℃下搅拌反应8～36h，搅拌速度500～800rpm，用无水乙醇、去离子水交替洗涤，将产物40～60℃下真空干燥11～13h，取0.1～1.0g上述产物加入到1.0～10ml的质量分数98％的浓H2SO4中，在室温下搅拌反应8～12h，用去离子水、无水乙醇交替洗涤，将产物50～70℃下真空干燥11～13h，得到纳米级磺化聚苯乙烯球；
(3)制备聚苯胺空心球/MXene复合气敏材料：将50～200uL苯胺、0.1～10ml磺化聚苯乙烯水分散液和手风琴状MXene分别依次加入到100ml的1M盐酸中，所述手风琴状MXene与所述苯胺质量比1.0～30wt％，超声频率30～50KHZ，超声分散0.5～1.5h；接着将(NH4)2S2O8溶液缓慢加入上述混合液，同时放入步骤(1)处理过的PET或PI衬底，冰水浴下反应3～8h；取出所述PET或所述PI衬底，并将反应液离心收集产物，将所述PET或所述PI衬底和产物先浸入DMF中11～13h，再浸入到1M质子酸中0.5～12h，室温干燥后，产物即为聚苯胺空心球/MXene复合气敏材料，沉积了该复合气敏材料的柔性衬底即为制备的NH3传感器。
2.根据权利要求1所述的聚苯胺空心球/MXene复合氨气气敏材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的纳米级磺化聚苯乙烯球模板的合成：取0.067g C12H25SO4Na和0.033gNa2CO3溶于100ml去离子水中，充氮搅拌30min；再加入10ml苯乙烯继续搅拌30min；再将0.021g K2S2O8加入到上述溶液，在75℃下搅拌反应20h，搅拌速度800rpm，用无水乙醇、去离子水交替洗涤，将产物50℃下真空干燥12h，取0.5g上述产物加入到5ml的质量分数98％的浓H2SO4中，在室温下搅拌反应10h，用去离子水、无水乙醇交替洗涤，将产物60℃下真空干燥12h，得到纳米级磺化聚苯乙烯球。
3.根据权利要求1所述的聚苯胺空心球/MXene复合氨气气敏材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中制备聚苯胺空心球/MXene复合气敏材料：将91uL苯胺、0.5ml磺化聚苯乙烯水分散液和手风琴状MXene分别依次加入到100ml的1M盐酸中，所述手风琴状MXene与所述苯胺质量比10wt％，超声频率40KHZ，超声分散1h。
4.根据权利要求1所述的聚苯胺空心球/MXene复合氨气气敏材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中接着将(NH4)2S2O8溶液缓慢加入上述混合液，同时放入步骤(1)处理过的PET或PI衬底，冰水浴下反应6h。
5.根据权利要求1所述的聚苯胺空心球/MXene复合氨气气敏材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中取出所述PET或所述PI衬底，并将反应液离心收集产物，将所述PET或所述PI衬底和产物先浸入DMF中12h，再浸入到1M质子酸中6h，室温干燥后，产物即为聚苯胺空心球/MXene复合气敏材料，沉积了该复合气敏材料的柔性衬底即为制备的NH3传感器；所述磺化聚苯乙烯水分散液为5～50mg/ml。
6.根据权利要求1所述的聚苯胺空心球/MXene复合氨气气敏材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的所述手风琴状MXene为Ti3C2、Ti2C、Nb3C4、Nb2C、V3C2、V2C、Ta4C3、Ta2C和Mo2C中的一种。
7.根据权利要求1所述的聚苯胺空心球/MXene复合氨气气敏材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的所述手风琴状MXene与所述苯胺质量比5～10wt％。
8.根据权利要求1所述的聚苯胺空心球/MXene复合氨气气敏材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中所述(NH4)2S2O8溶液为100～500mg(NH4)2S2O8溶于5ml的1M盐酸中制备而得。
9.根据权利要求1所述的聚苯胺空心球/MXene复合氨气气敏材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中所述质子酸为盐酸、硫酸、高氯酸、十二烷基苯磺酸或植酸。
10.根据权利要求1所述的聚苯胺空心球/MXene复合氨气气敏材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中干燥后用氧等离子体处理所述柔性PET或PI衬底20min。
CN202110558460.6A 2021-05-21 2021-05-21 一种聚苯胺空心球/MXene复合氨气气敏材料的制备方法 Active CN113340947B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110558460.6A CN113340947B (zh) 2021-05-21 2021-05-21 一种聚苯胺空心球/MXene复合氨气气敏材料的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110558460.6A CN113340947B (zh) 2021-05-21 2021-05-21 一种聚苯胺空心球/MXene复合氨气气敏材料的制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113340947A true CN113340947A (zh) 2021-09-03
CN113340947B CN113340947B (zh) 2022-08-26

Family

ID=77470562

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110558460.6A Active CN113340947B (zh) 2021-05-21 2021-05-21 一种聚苯胺空心球/MXene复合氨气气敏材料的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113340947B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113984849A (zh) * 2021-10-29 2022-01-28 东莞理工学院 一种水溶性聚苯胺/MXene复合柔性氨气传感器及其制备方法
CN114609197A (zh) * 2022-03-25 2022-06-10 电子科技大学 气敏材料及制备方法和其在nh3气敏传感器中的应用
CN115389570A (zh) * 2022-08-02 2022-11-25 昌吉学院 一种复合材料气敏传感器及其的制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5536473A (en) * 1993-01-13 1996-07-16 British Gas Plc Polyaniline gas sensor
US20190391099A1 (en) * 2017-12-22 2019-12-26 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Chemiresistor gas sensor using mxene and the manufacturing method thereof
CN111307883A (zh) * 2020-03-19 2020-06-19 中国石油大学(华东) 基于聚苯胺-碳化钒的氨气传感器制备方法及其检测系统和应用
CN111518353A (zh) * 2020-05-18 2020-08-11 东莞理工学院 一种MXene/聚合物复合材料及其制备方法和应用

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5536473A (en) * 1993-01-13 1996-07-16 British Gas Plc Polyaniline gas sensor
US20190391099A1 (en) * 2017-12-22 2019-12-26 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Chemiresistor gas sensor using mxene and the manufacturing method thereof
CN111307883A (zh) * 2020-03-19 2020-06-19 中国石油大学(华东) 基于聚苯胺-碳化钒的氨气传感器制备方法及其检测系统和应用
CN111518353A (zh) * 2020-05-18 2020-08-11 东莞理工学院 一种MXene/聚合物复合材料及其制备方法和应用

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JINMEI LIU ET AL.: "《High-Performance PANI-Based Ammonia Gas Sensor Promoted by Surface Nanostructuralization》", 《ECS JOURNAL OF SOLID STATE SCIENCE AND TECHNOLOGY》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113984849A (zh) * 2021-10-29 2022-01-28 东莞理工学院 一种水溶性聚苯胺/MXene复合柔性氨气传感器及其制备方法
CN114609197A (zh) * 2022-03-25 2022-06-10 电子科技大学 气敏材料及制备方法和其在nh3气敏传感器中的应用
CN114609197B (zh) * 2022-03-25 2023-11-21 电子科技大学 气敏材料及制备方法和其在nh3气敏传感器中的应用
CN115389570A (zh) * 2022-08-02 2022-11-25 昌吉学院 一种复合材料气敏传感器及其的制备方法
CN115389570B (zh) * 2022-08-02 2024-05-31 昌吉学院 一种复合材料气敏传感器及其的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN113340947B (zh) 2022-08-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113340947B (zh) 一种聚苯胺空心球/MXene复合氨气气敏材料的制备方法
CN110687169B (zh) 一种湿度敏感的碳纳米管/石墨烯/有机复合柔性材料、湿度传感器及其制备方法
Yang et al. Non-enzymatic sensor based on a glassy carbon electrode modified with Ag nanoparticles/polyaniline/halloysite nanotube nanocomposites for hydrogen peroxide sensing
CN105223237B (zh) 一种有机半导体纳米管材料及其制备方法与用途和一种no2气敏传感器
CN105842318A (zh) 一种用于痕量铅离子检测的石墨烯-聚吡咯电化学传感器的制备方法及应用
CN111440328B (zh) 一种硼酸修饰的金属氧化物纳米阵列-mof复合材料、其制备方法及应用
Li et al. Construction of a sensitive bisphenol A electrochemical sensor based on metal-organic framework/graphene composites
CN113588751B (zh) MXene@CoAl-LDH纳米复合膜修饰电极及其制备方法和检测农药的应用
CN110726754B (zh) 一种器件表面原位组装石墨烯气凝胶的制备方法及气敏应用
Wang et al. Highly sensitive electrochemical sensor for the detection of chloramphenicol based on biomass derived porous carbon
CN112730532A (zh) 氨气检测用气敏材料及其制备方法、气敏电极和传感器
CN113984849A (zh) 一种水溶性聚苯胺/MXene复合柔性氨气传感器及其制备方法
CN106841344B (zh) 一种孔状单壁碳纳米管及其修饰电极的制备和应用
CN106395804B (zh) “蚕蛹状”PbS量子点/石墨烯复合材料及其制备方法
CN1974667A (zh) 多壁纳米碳管/聚苯胺导电复合材料的制备方法
CN108061748B (zh) 用于检测铅离子和镉离子的纳米三氧化二铋石墨烯复合膜电极的制备方法
Grishchenko et al. Electromagnetic interference shielding of carbon fibers oxidatively brominated in the liquid-phase
CN103382567B (zh) 一种表面修饰叠氮基的碳纳米管及其制备方法
CN1384355A (zh) 一种电化学传感器及其制备方法和用途
Saedi Khosroshahi et al. A density functional theory study on possible sensing of boron nitride nanosheet and its doped derivatives over the amantadine drug
CN104091932A (zh) Ws2带孔纳米片/石墨烯复合纳米材料及制备方法
CN106568815B (zh) 一种钴镍双金属硫化物有机磷农药生物传感器及制备方法
WO2023078005A1 (zh) 一种中空多孔结构氧化铜及其制备方法和应用
CN113830820B (zh) 一种管状氧化镓纳米材料及其制备方法和应用
CN112666228B (zh) 一种气敏复合材料及其制备方法、气敏电极和传感设备

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
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant