氨气检测用气敏材料及其制备方法、气敏电极和传感器

摘要

本发明公开了一种氨气检测用气敏材料及其制备方法、气敏电极和传感器，该氨气检测用气敏材料包括功能化石墨烯微球和包覆于功能化石墨烯微球上的聚苯胺，功能化石墨烯微球为聚苯乙烯磺酸钠修饰的还原石墨烯微球。本发明氨气检测用气敏材料能在室温条件下对低浓度氨气发生快速响应和回复，反应灵敏度高，检测限低。

说明书

技术领域

本发明涉及气敏材料技术领域，尤其是涉及一种氨气检测用气敏材料及其制备方法、气敏电极和传感器。

背景技术

随着智能制造的发展，人们越来越看重对自身的健康监控。人体呼吸中含有高湿度和大量浓度在几ppt至数千ppm之间的气体化合物，成分非常复杂，且依赖于健康状况、年龄和性别等。氨气(NH

电阻型半导体传感器因制作简单、操作方便、体积小而得以广泛研究，但其在检出限、稳定性、制作工艺和能耗上还存在很大的挑战。石墨烯具有大比表面积和优异的导电性，是一种优良的气体敏感材料，近年来，基于各种形貌结构的石墨烯基材料在气体敏感检测受到广泛关注。但未经修饰的石墨烯对气体的响应性和选择性较差，而传统的共价键修饰会破坏石墨烯固有的电学性能，因此，探寻如何在室温下实现对氨气的高灵敏度稳定痕量检测是氨气传感器领域的重要内容。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种氨气检测用气敏材料及其制备方法、气敏电极和传感器。

本发明的第一方面，提供一种氨气检测用气敏材料，其包括功能化石墨烯微球和包覆于所述功能化石墨烯微球上的聚苯胺，所述功能化石墨烯微球为聚苯乙烯磺酸钠(PSS)修饰的还原石墨烯微球。

根据本发明实施例的氨气检测用气敏材料，至少具有如下有益效果：该氨气检测用气敏材料能在室温条件下对低浓度氨气发生快速响应和回复，反应灵敏度高，检测限低。

根据本发明的一些实施例，所述聚苯胺由苯胺单体吸附于所述功能化石墨烯微球上，并在所述功能化石墨烯微球上通过原位化学氧化聚合形成。苯胺单体具体通过超分子作用吸附于功能化石墨烯微球上，并在功能化石墨烯微球上通过原位化学氧化聚合形成。优选地，所述超分子作用为π-π堆积和静电相互作用。通过以上方式在功能化石墨烯微球上包覆聚苯胺，相比于传统的聚苯胺纳米线和聚苯胺膜，所得材料的电子传输能力更大，传输更稳定。

根据本发明的一些实施例，所述氨气检测用气敏材料的尺寸为1～4μm。

本发明的第二方面，提供一种本发明第一方面所提供的任一种氨气检测用气敏材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、将聚苯乙烯磺酸钠(PSS)、氧化石墨烯与溶剂混合配成混合液，而后加入还原剂，进行加热反应，再进行冷冻干燥，制得聚苯乙烯磺酸钠修饰的还原石墨烯微球；

S2、将所述聚苯乙烯磺酸钠修饰的还原石墨烯微球分散于酸液中，而后加入苯胺单体和引发剂，进行原位化学氧化聚合反应。

根据本发明实施例的氨气检测用气敏材料的制备方法，至少具有如下有益效果：该制备方法所用的原料简单，成本低廉；通过以反应单体(苯胺单体)和导电基体物质(聚苯乙烯磺酸钠修饰的还原石墨烯微球)为原料制备聚苯胺包覆的功能化石墨烯微球，反应单体苯胺和功能化石墨烯微球经过超分子作用吸附在一起，再利用引发剂引发苯胺单体在导电基体物质上聚合，通过以上方式所形成的材料电子传输能力大，传输稳定；且通过以上方法可制得尺寸均匀且结构稳定的空心微球结构气敏材料，这种结构具有较大的比表面积，所制得材料能在室温条件下对低浓度氨气发生快速响应和回复，反应灵敏度高，检测限低。

根据本发明的一些实施例，步骤S1中，所述聚苯乙烯磺酸钠、所述还原剂和所述氧化石墨烯的质量比为(1～100)：(1～10)：1；优选地，所述还原剂选自水合肼、抗坏血酸、硼氢化钠、柠檬酸钠、氢氧化钠、氢碘酸、半胱氨酸、甘氨酸、葡萄糖、对苯二酚、苯二胺、甲醇、乙醇、异丙醇、苯甲醇、铁、铝和锌中的至少一种。

另外，步骤S1中，具体可先将氧化石墨烯分散于溶剂中制得氧化石墨烯分散液，再加入聚苯乙烯磺酸钠，混合配制成混合液；也可先将氧化石墨烯分散于部分溶剂中制得氧化石墨烯分散液，并将聚苯乙烯磺酸钠溶于剩余溶剂中，而后与氧化石墨烯分散液混合，制得混合液。其中，溶剂一般采用去离子水。加热反应的反应温度一般控制在70～90℃，优选为80℃。

根据本发明的一些实施例，步骤S2中，所述苯胺单体与所述聚苯乙烯磺酸钠修饰的还原石墨烯微球的质量比为(0.1～9)：1。苯胺单体添加后的浓度可控制在(0.01～0.5)mol/L。另外，引发剂可采用过硫酸盐(如过硫酸铵、过硫酸钾等)、氧化氢、重铬酸盐、氯化铁、过氧化苯甲酰、过氧化苯甲酰叔丁酯、过氧化甲乙酮、偶氮二异丁腈、偶氮二异丁基脒盐酸盐、偶氮二异庚腈、偶氮二异丁酸二甲酯中的至少一种。

根据本发明的一些实施例，步骤S2中，所述酸液选自盐酸、硫酸、植酸、对甲苯磺酸、十二烷基苯磺酸、聚苯乙烯磺酸中的至少一种。将聚苯乙烯磺酸钠修饰的还原石墨烯微球分散于酸液中，可先进行超声处理，超声处理时间可控制在30～60min。另外，原位化学氧化聚合反应的反应温度一般控制在-10～90℃，优选为4℃。

根据本发明的一些实施例，步骤S1中，在所述加热反应之后，所述冷冻干燥之前，还包括除杂处理；和/或，步骤S2中，在所述原位化学氧化聚合反应之后，还包括除杂处理。具体地，步骤S1在完成加热反应后，可将产物进行过滤去除多余的还原剂和自由的PSS，而后重新分散于去离子水中，得到稳定的超分子组装体分散液，再进行冷冻干燥，得到聚苯乙烯磺酸钠修饰的还原石墨烯微球。步骤S2，在完成原位化学氧化聚合反应之后，可将产物进行离心处理，以去除多余的盐酸、引发剂和未反应的苯胺单体。

本发明的第三方面，提供一种气敏电极，所述气敏电极上设有气敏涂层，所述气敏涂层的材料包括本发明第一方面所提供的氨气检测用气敏材料。具体可通过将以上氨气检测用气敏材料分散于去离子水中制得分散液，而后涂覆于叉指电极上，烘干制得气敏电极。

本发明的第四方面，提供一种传感器，包括本发明第四方面所提供的任一种气敏电极。该传感器可用于氨气检测。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为实施例1氨气检测用气敏材料的制备流程图；

图2为实施例1中所制得PSS功能化石墨烯微球不同放大倍数的SEM形貌图；

图3为实施例1氨气检测用气敏材料不同放大倍数的SEM形貌图；

图4为实施例1、对比例2和对比例3氨气检测用气敏材料的FTIR图；

图5为实施例1和对比例1～3氨气检测用气敏材料分散液的状态图；

图6为实施例1和对比例1～3氨气检测用气敏材料对50ppm的氨气的气敏测试曲线图；

图7为实施例1氨气检测用气敏材料对不同浓度的氨气的响应测试结果；

图8为实施例1氨气检测用气敏材料对50ppm氨气检测的循环稳定性测试结果。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

实施例1

一种氨气检测用气敏材料，如图1所示，其制备方法包括以下步骤：

S1、将80mg的聚苯乙烯磺酸钠(PSS)溶于10mL去离子水并加入50mL的单口烧瓶中，向单口烧瓶中加入4mL氧化石墨烯分散液(1mg/mL)，得混合液；向混合液中加入10mL水合肼(1.12μL/mL)，在80℃中反应1h，制得PSS功能化石墨烯；将产物进行过滤除去多余的水合肼和自由的PSS，而后重新分散于10mL去离子水中，得到稳定的超分子组装体分散液；再将超分子组装体分散液进行冷冻干燥处理，得到聚苯乙烯磺酸钠修饰的还原石墨烯微球，即PSS功能化石墨烯微球；

S2、将10mg步骤S1制得的聚苯乙烯磺酸钠修饰的还原石墨烯微球分散于2.5mL盐酸溶液(1M)中，超声30min后加入2.5mg苯胺(ANI)单体，得到含苯胺单体的分散液；将含有苯胺单体的分散液置于4℃的冰箱中，而后加入12.5mg引发剂过硫酸铵(APS)进行原位化学氧化聚合反应4h，再将产物在13000r/min下离心处理10min，以除去多余的盐酸、APS和未反应的苯胺单体，得到氨气检测用气敏材料，即聚苯胺包覆石墨烯微球(简称PANI@PSS-rGO)。

实施例2

一种氨气检测用气敏材料，其制备方法包括以下步骤：

S1、将100mg的聚苯乙烯磺酸钠(PSS)溶于10mL去离子水并加入50mL的单口烧瓶中，向单口烧瓶中加入4mL氧化石墨烯分散液(1mg/mL)，得混合液；向混合液中加入10mL水合肼(1.12μL/mL)，在80℃中反应1h，制得PSS功能化石墨烯；将产物进行过滤除去多余的水合肼和自由的PSS，而后重新分散于10mL去离子水中，得到稳定的超分子组装体分散液；再将超分子组装体分散液进行冷冻干燥处理，得到聚苯乙烯磺酸钠修饰的还原石墨烯微球，即PSS功能化石墨烯微球；

S2、将10mg步骤S1制得的聚苯乙烯磺酸钠修饰的还原石墨烯微球分散于90mL硫酸溶液(1M)中，超声30min后加入90mg苯胺(ANI)单体，得到含苯胺单体的分散液；将含有苯胺单体的分散液置于4℃的冰箱中，而后加入450mg引发剂过硫酸铵(APS)进行原位化学氧化聚合反应4h，再将产物在13000r/min下离心处理10min，以除去多余的盐酸、APS和未反应的苯胺单体，得到氨气检测用气敏材料。

实施例3

一种氨气检测用气敏材料，其制备方法包括以下步骤：

S1、将100mg的聚苯乙烯磺酸钠(PSS)溶于10mL去离子水并加入50mL的单口烧瓶中，向单口烧瓶中加入4mL氧化石墨烯分散液(1mg/mL)，得混合液；向混合液中加入10mL水合肼(1.12μL/mL)，在80℃中反应1h，制得PSS功能化石墨烯；将产物进行过滤除去多余的水合肼和自由的PSS，而后重新分散于10mL去离子水中，得到稳定的超分子组装体分散液；再将超分子组装体分散液进行冷冻干燥处理，得到聚苯乙烯磺酸钠修饰的还原石墨烯微球，即PSS功能化石墨烯微球；

S2、将9mg步骤S1制得的聚苯乙烯磺酸钠修饰的还原石墨烯微球分散于1mL硫酸溶液(1M)中，超声30min后加入1mg苯胺(ANI)单体，得到含苯胺单体的分散液；将含有苯胺单体的分散液置于4℃的冰箱中，而后加入5mg引发剂过硫酸铵(APS)进行原位化学氧化聚合反应4h，再将产物在13000r/min下离心处理10min，以除去多余的盐酸、APS和未反应的苯胺单体，得到氨气检测用气敏材料。

对比例1

一种氨气检测用气敏材料，其制备方法包括以下步骤：

S1、向50mL单口烧瓶中加入4mL氧化石墨烯分散液(1mg/mL)，并加入10mL水合肼(1.12μL/mL)，在80℃中反应1h；将产物进行过滤除去多余的水合肼，而后重新分散于10mL去离子水中，得到分散不稳定的还原石墨烯分散液；再将还原石墨烯分散液进行冷冻干燥处理，得到固态还原石墨烯。

S2、称取10mg步骤S1制得的还原石墨烯分散于2.5mL盐酸溶液(1M)中，超声30min后加入2.5mg苯胺单体，得到含苯胺单体的分散液；将含有苯胺单体的分散液置于4℃的冰箱中，而后加入12.5mg引发剂过硫酸铵(APS)进行原位化学氧化聚合反应4h，再将产物在13000r/min下离心处理10min，以除去多余的盐酸、APS和未反应的苯胺单体，得到氨气检测用气敏材料，即聚苯胺/石墨烯(PANI/rGO)复合材料。

对比例2

一种氨气检测用气敏材料，其制备方法包括以下步骤：

将2.5mg的苯胺单体加入2.5mL盐酸溶液(1M)中并超声30min，将含有苯胺单体的盐酸溶液置于4℃的冰箱中，而后加入12.5mg引发剂过硫酸铵(APS)进行原位化学氧化聚合反应4h，再将产物在13000r/min下离心处理10min，以除去多余的盐酸、APS和未反应的苯胺单体，得到氨气检测用气敏材料，即聚苯胺(PANI)气敏材料。

对比例3

一种氨气检测用气敏材料，其制备方法包括以下步骤：

将80mg的聚苯乙烯磺酸钠(PSS)溶于10mL去离子水并加入50mL的单口烧瓶中，向单口烧瓶中加入4mL氧化石墨烯分散液(1mg/mL)，得混合液；向混合液中加入10mL水合肼(1.12μL/mL)，在80℃中反应1h；将产物进行过滤除去多余的水合肼和自由的PSS，而后重新分散于10mL去离子水中，得到稳定的超分子组装体分散液；再将超分子组装体分散液进行冷冻干燥处理，得到氨气检测用气敏材料，即聚苯乙烯磺酸钠修饰的还原石墨烯(PSS-rGO)。

采用扫描电子显微镜对实施例1中所制得的PSS功能化石墨烯微球(即对比例3所制得的氨气检测用气敏材料)和产品氨气检测用气敏材料进行观察检测，所得结果分别如图2和图3所示。另外，采用傅里叶红外光谱仪对实施例1、对比例2和对比例3氨气检测用气敏材料进行检测分析，所得结果如4所示。由图2～3可知，实施例1中通过以PPS功能化石墨烯微球为基体，原位聚合上聚苯胺，得到更为稳定的微球结构；由图4可进一步表明聚苯胺成功生长在PPS功能化石墨烯微球上。

以上所制得的气敏材料可用于制备气敏电极，进而制备传感器，以用于氨气检测。具体可将气敏材料分散于去离子水中制得分散液，而后将分散液涂覆于叉指电极上，烘干，在叉指电极上形成气敏涂层，制得气敏电极，进而可将该气敏电极连接到氨气检测用传感器上，以用于气敏测试。

具体地，可分别将以上实施例1和对比例1～3氨气检测用气敏材料分散于10mL去离子水中，形成分散液，所形成分散液的状态图如图5所示；而后取5μL分散液涂覆在叉指电极上，60℃烘干得到气敏电极；再将气敏电极连接到氨气检测用传感器上进行气敏测试。具体检测方法包括：可将氨气检测用传感器的气敏电极置于空气氛围的密闭测试腔内，测试其初始电阻，然后向测试腔内注入一定浓度的氨气，记录其电阻值(实时电阻)，待响应完成后，打开测试腔，使测试腔内恢复空气氛围，记录检测电极电阻的变化。

采用以上方法，分别应用实施例1和对比例1～3氨气检测用气敏材料制得的传感器，在相对湿度为30％，温度为25±1.5℃条件下对浓度为50ppm的氨气进行气敏响应和回复测试，以考察各气敏材料对氨气的响应和回复性能，所得结果如图6所示。图6中A为实施例1氨气检测用气敏材料(PANI@PSS-rGO)对氨气的响应和回复测试结果，B为对比例1氨气检测用气敏材料(PANI/rGO)对氨气的响应和回复测试结果，C为对比例2氨气检测用气敏材料(PANI)对氨气的响应和回复测试结果，D为对比例3氨气检测用气敏材料(PSS-rGO)对氨气的响应和回复测试结果。由图6可知，实施例1所制得氨气检测用气敏材料对氨气有较高的响应值，对比例1～3所制得氨气检测用气敏材料对氨气响应均不高。具体地，经检测，实施例1氨气检测用气敏材料(PANI@PSS-rGO)对50ppm的氨气的响应高达640％，响应时间和回复时间分别为9s和120s；对比例1氨气检测用气敏材料(PANI/rGO)对50ppm的氨气的响应为127％，响应时间和回复时间分别为9s和89s；对比例2氨气检测用气敏材料(PANI)对50ppm的氨气的响应高达195％，响应时间和回复时间分别为9s和323s；对比例3氨气检测用气敏材料(PSS-rGO)对50ppm的氨气的响应为81％，响应时间为57s，响应不能完全回复。

采用实施例1氨气检测用气敏材料制得的传感器，在相对湿度为30％，温度为25±1.5℃条件下，对不同浓度(0.01ppm、0.05ppm、0.15ppm、0.2ppm、0.35ppm、1ppm、2ppm、5ppm、10ppm、20ppm、30ppm、40ppm、50ppm和60ppm)的氨气进行响应测试，以考察气敏材料对不同浓度氨气的响应性能，所得结果如图7所示。由图7中(a)为氨气检测用气敏材料对不同浓度氨气的响应数据，(b)为氨气检测用气敏材料对氨气的响应数据与氨气浓度的关系。由图7可知，实施例1氨气检测用气敏材料对氨气的响应在一定浓度范围内具有很好的线性关系。

另外，应用实施例1氨气检测用气敏材料制得的传感器按照以上方法，在相对湿度为30％，温度为25±1.5℃条件下，检测浓度为50ppm的氨气，并进行重复试验，以进行循环稳定性测试，所得结果如图8所示。由图8可知，实施例1氨气检测用气敏材料用于氨气检测循坏性稳定性好。

由上，本发明通过利用超分子相互作用在石墨烯上超分子组装上PSS，得到功能化石墨烯微球，再以功能化石墨烯微球为基体材料，利用π-π共轭和静电相互作用在功能化石墨烯微球上吸附苯胺单体，进而原位聚合成聚苯胺纳米颗粒，所得气敏材料可保持石墨烯固有的电化学性性质，并能形成稳定的分散液，通过在功能化石墨烯微球表面原位聚合上聚苯胺，可得到更稳定的微球结构，可在保持微球本身的高比表面积的同时，提高电子传输能力，使材料保持优异的气敏性能，最终材料可在室温条件(25±1.5℃)下对低浓度的氨气发生快速响应和回复，反应灵敏度高，检测限低。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。