《聚苯胺锚定MWCNTs织物用于高性能可穿戴氨传感器》
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阅读： 2024/1/17 11:32:52
发表期刊：ACS Sensors(IF=9.6) DOI: 10.1021/acssensors.8b00589
ACS Sensors 是一本同行评审的研究期刊，致力于传播有关传感器科学各个方面的新知识和原创知识，这些知识有选择地感知化学或生物物种或过程。文章应讨论传感的概念进展。论文应证明传感器在适合应用的复杂样品中的使用，表明其适合用途，并展示传感器性能与现有分析方法的相关性。论文可能侧重于用于商业化的传感器开发或开发用于提供新科学知识的传感器。该杂志涵盖的传感器类型包括：生物传感器、化学传感器、气体传感器、细胞内传感器、单分子传感器、用于传感的蛋白质工程、电池芯片、阵 列、微流控器件、临床应用、环境传感、仪器活体成像、新颖的转导方法、传感中的机器学习、表面化学性质、用于传感的材料化学。
背景介绍：据职业安全与健康管理局(OSHA)称，对眼睛、鼻子、喉咙、呼吸道和最敏感的人的皮肤有刺激性的氨的最低含量为50ppm。根据有毒物质和疾病登记处(ATSDR)的说法，永久性肺损伤与急性500ppm氨暴露以及化学支气管炎、肺部积液和皮肤化学烧伤有关，并且可能致命。碳基纳米材料，如碳纳米管和氧化石墨烯，由于其独特的电学、物理和化学性质以及优异的化学稳定性，已被发现是气体传感的理想候选者。聚苯胺具有聚合转化率高、成本低、合成方法简单、稳定性高等特点，在不同的应用领域具有特殊的吸引力。利用聚苯胺修饰的MWCNTs在室温下进行氨气传感已有报道，但作为柔性传感器的报道很少。Debasis Maity展示了PANI在织物上喷涂的MWCNTs上的合成和制造，作为一种具有较低检测限的柔性，可穿戴和手持式氨传感器。合成方法如图：
扫描电镜和透视电镜：图a为织物表面喷涂MWCNTs的SEM图像。在织物上形成的聚苯胺如图d所示。图c、d显示了在聚合过程中，聚苯胺覆盖在F-MWCNTs表面和织物表面。聚苯胺覆盖的MWCNTs复合材料的直径大于MWCNTs本身的直径。这意味着聚苯胺成功地附着在MWCNTs表面。从图d(插图)可以看出，合成的MWCNTs的直径为40 ~ 80 nm。在MWCNTs表面发现了非常均匀和厚的聚苯胺涂层。覆盖在MWCNTs上的聚苯胺层厚度约为20 nm。
接触角分析：图e、f、g、h显示了织物、f - mwcnts、f -PANI和f - mwcnts /PANI的静态接触角测量结果。水滴很快沉入亲水织物37，而水沉入MWCNT涂层织物的速度相对较慢。虽然MWCNTs本质上是疏水的，接触角为113°±7°。由于MWCNTs网络中的微间隙，织物吸收了水分。F-PANI样品具有疏水性，接触角为132°±9°。F-MWCNTs/PANI样品具有拒水性，接触角为127°±7°。均匀的聚苯胺覆盖限制了水滴与织物的相互作用，从而使f -聚苯胺/MWCNTs样品具有疏水性。
气敏性能：图a显示了暴露于100ppm氨蒸汽下F-MWCNTs/ PANI的响应和恢复时间。当电阻变化90%时，传感器的响应时间和恢复时间分别为9秒和30秒。图b显示了F-MWCNTs/PANI传感器暴露于不同浓度的氨蒸气时，传感器响应随时间的变化情况。随着氨蒸汽浓度的增加，F-MWCNTs/PANI传感器的响应成比例增加。随着氨蒸汽浓度的增加，传感器呈现线性响应。F-MWCNTs/PANI传感器的斜率为3.854,R2值为0.976(图c)。F-MWCNTs/ PANI传感器的选择性，如图6d所示，表明对氨气有较高的选择性。
柔性测试：将F-MWCNTs/PANI传感器弯曲至120°(前向)、180°(平向)和240°(后向)进行弯曲实验。在100ppm的氨水下，不同角度传感器响应的标准偏差为2%。不同角度的传感性能如表1所示。如图所示。
机理研究：有趣的是，与裸露的F-MWCNTs相比，聚苯胺涂层的F-MWCNTs的电阻变化非常小(将传感器向前和向后弯曲约60°)。织物表面随机网络MWCNTs (F-MWCNTs)在弯曲阻力方面表现出巨大的变化。发现电阻随弯曲角的变化是部分可逆的。管间接触电阻部分可逆。管间接触电阻是影响随机网络碳纳米管电性能的重要因素之一。在F-MWCNTs的情况下，弯曲试样时管间势垒发生改变，导致管间接触电阻发生变化。
另一方面，聚苯胺强烈附着在MWCNTs和底层纤维素(织物)上，从而减少了管间接触势垒的交替。聚苯胺与氨气响应机理如下式所示：
聚苯胺的导电绿绿盐(ES)态具有大量的活性N+?H吸附位点。氨分子(NH3)通过从N+—H吸附位点吸收质子，自发转化为更有利的NH4+。在这个过程中，大量的电子被注入到聚苯胺中。PANI和MWCNTs之间强烈的Π?Π相互作用增强了电子离域，从而导致PANI和MWCNTs之间更高的电荷转移。PANI上收集的电子很容易转移到MWCNTs上。转移到MWCNTs。电子进一步与空穴复合，空穴是p型半导体MWCNTs/PANI复合材料的主要载流子。因此，传感器的电导率降低，电阻增加。下图解释了氨上的电子通过PANI转移到MWCNTs的能带图。
转自：“科研一席话”微信公众号
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