一种碳纳米管掺杂的聚苯胺传感器、制备方法及检测氨气的方法

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管掺杂的聚苯胺传感器、制备方法及检测氨气的方法，属于纳米材料的定量分析方法领域。

背景技术

伴随着人类社会生活的不断进步，环境污染问题也愈发突出，对气体传感器的需求也更加急迫，尤其是推动了针对有害气体传感器的研究。氨气是一种对人体有害、有刺激性气味的常见气体污染物，常见于化工业中使用的原料、溶剂以及催化剂。目前检测氨气的气敏传感器已被广泛运用于生产生活。普遍使用的金属氧化物材料(如氧化钴、氧化铜、氧化锡等)，但是检测温度较高，无法在日常生活中使用。如何提高氨气检测器的灵敏度，降低检测温度是氨气气体传感器研究的关键。

发明内容

本发明阐述了一种碳纳米管掺杂的聚苯胺作为传感器检测氨气的方法，包括所使用的传感器的制备，氨气的传感测试，数据的采集与整理。室温下，氨气会吸附到聚苯胺表面，氨气是还原性气体，会给出电子，而聚苯胺是p型半导体，得到电子后会导致正电空穴的减少，从而导致电阻增大。碳纳米管提供了充足的π电子，提高了材料整体的导电性，降低其电阻，从而在室温下发挥了传感性能。

根据本申请的一个方面，提供了一种氨气传感器，所述氨气传感器包括基底和位于基底表面的气敏材料；

所述气敏材料为含有碳纳米管掺杂的聚苯胺、溶剂的分散液；

所述碳纳米管掺杂的聚苯胺在分散液中的质量百分比为1％～20％；

所述碳纳米管掺杂的聚苯胺中，碳纳米管的掺杂量为质量分数0.1％～20％。

所述溶剂选自乙醇、甲醇、丙醇、乙腈中的至少一种；

所述基底为刚性材料或柔性材料；

所述刚性材料选自陶瓷管；

所述柔性材料选自氧化铟锡膜、金叉指电极、碳叉指电极中的一种。

根据本申请的另一个方面，提供一种所述传感器的制备方法，所述方法包括：

将含有碳纳米管掺杂的聚苯胺、溶剂的分散液滴涂与基底表面，干燥，获得所述的传感器；

所述分散液由碳纳米管掺杂的聚苯胺分散在溶剂中超声获得；

所述分散液的浓度为0.02～50mg/mL，其中所述分散液的浓度以材料质量/溶剂体积计算；

优选地，所述分散液的浓度为0.1～50mg/mL；

所述超声时间为2～150min。

优选地，所述超声时间上限可独立选自110min、120min、130min、140min、150min；

所述超声时间下限可独立选自2min、5min、15min、25min、35min；

所述分散液可由移液枪移取，移取体积为2～500μL；

可选地，所述碳纳米管掺杂的聚苯胺是通过以下制备方法获得：

在酸性条件下，苯胺单体、碳纳米管与氧化剂混合发生原位聚合反应；所述酸性条件为0.01～100g/L浓度的盐酸；

优选地，所述盐酸浓度上限可独立选自60g/L、70g/L、80g/L、90g/L、100g/L；

所述盐酸浓度下限可独立选自0.01g/L、0.1g/L、0.5g/L、1g/L、2g/L；

所述氧化剂选自过硫酸铵、过硫酸钠、氯化铁中的至少一种，所述氧化剂的浓度为0.1g/L～20g/L；

所述反应在常压下发生，反应温度为-10～30℃。

根据本申请的再一个方面，提供一种检测氨气的方法，所述方法包括将传感器置于氨气气氛中，检测氨气的浓度，其中所述传感器上述传感器、上述制备方法制备得到的传感器中的至少一种。

可选地，所述方法具体包括以下步骤：

(1)将所述传感器置于已知浓度的氨气气氛中，检测电阻值与时间的变化规律，以电阻信号的变化值做为标准值，绘制标准工作曲线；

(2)在与步骤(1)相同压力、温度条件下，将所述传感器置于待测氨气气氛中，利用步骤(1)获得的标准工作曲线，通过电阻变化值，得到待测氨气气氛中的氨气浓度；

可选地，步骤(1)中，所述绘制标准工作曲线包括以下步骤：

(a)将所述的传感器置于密闭腔体内，所述的传感器与腔体外部的电阻检测仪、直流电源连接；向密闭腔体内注入氨水，加热密闭腔体，获得已知浓度的氨气气氛后，记录经过响应时间t

(b)打开腔体，所述传感器与空气接触，恢复电阻初始值R

(c)以时间为横坐标，以电阻变化值(R

可选地，所述腔体密闭腔体的体积为2～50L。

所述响应时间为0.5～3min；

所述恢复时间为2～10min；

可选地，步骤(2)中，

所述氨气气氛中氨气的浓度为0.5～1000ppm。

本申请能产生的有益效果包括：

1)本发明所制备的聚苯胺经过碳纳米管掺杂改性，使传感器在室温下具有灵敏度高、响应快速等优点，解决了半导体气体传感器常见的问题。

2)与传统的半导体气体传感器相比，本发明的氨气传感器可以通过简单的方式(滴涂)将传感膜固定在陶瓷管上，方法简便，加工性好，解决了传统气体传感器需要高温烧结，加工复杂的问题。

附图说明

图1为本发明实施例1传感器在室温下对氨气响应的线性模拟图。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

如无特别说明，本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买。

实施例1

碳纳米管掺杂的聚苯胺的制备流程如下：取0.5g碳纳米管加入100mL1g/L的稀盐酸中，超声30min。之后向上述溶液中滴加5mL苯胺，0℃下搅拌1h。之后，滴加10mL 10g/L的过硫酸铵的水溶液，继续反应4h。反应结束后，清水洗涤产物三次后，60℃下干燥12h。

实施例2

传感器对氨气的浓度测试：称取5mg实施例1制备的碳纳米管掺杂的聚苯胺固体样品于5mL离心管中，加入0.5mL无水乙醇，超声5min。用移液枪取20μL的分散液，均匀滴涂在陶瓷管上，用热风机吹干。将制备好的传感器连接万用表后固定于50L密闭腔体中。每次用微量进样针取一定量的氨水，注入加热模块，外接电源加热功率为10W，加热时间为0.5min，使最终腔体内氨气的浓度分别为0.5ppm。关闭加热电源后，计时5min为响应时间，记录万用表的电阻变化值R

实施例3

传感性能的重复性测试：称取4mg实施例1制备的碳纳米管掺杂的聚苯胺固体样品于2ml离心管中，加入1.5mL无水乙醇，超声25min。用移液枪取25μL样品的分散液，均匀滴涂在陶瓷管上，吹风机吹干。将制备好的传感器连接万用表后固定于18L密闭腔体中。每次用微量注射器取0.56μL氨水，外接电源加热功率为10W，加热时间为1min，使最终腔体内氨气的浓度为10ppm。记录关闭加热电源后，计时3min为响应时间，记录万用表的电阻变化。待反应结束后打开腔体的盖子，使传感器与新鲜空气接触，电阻回升，记录电阻恢复至原值所需要的时间。重复上述操作三次。通过万用表程序将采集的电阻数据导出，可得到对10ppm氨气的响应值。

实施例4

传感性能的重复性测试：称取5mg实施例1制备的碳纳米管掺杂的聚苯胺固体样品于2ml离心管中，加入3mL无水乙醇，超声35min。用移液枪取10μL样品的分散液，均匀滴涂在陶瓷管上，吹风机吹干。将制备好的传感器连接万用表后固定于18L密闭腔体中。每次用微量注射器取2.24μL氨水，外接电源加热功率为30W，加热时间为0.5min，使最终腔体内氨气的浓度为40ppm。关闭加热电源后，计时3min为响应时间，记录万用表的电阻变化。待反应结束后打开腔体的盖子，使传感器与新鲜空气接触，电阻回升，记录电阻恢复至原值所需要的时间。重复上述操作三次。通过万用表程序将采集的电阻数据导出，可得到对40ppm氨气的响应值。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。