[发明专利]聚苯胺/氧化锌纳米复合电阻型材料传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及传感器领域，具体涉及一种在室温下具有高灵敏度的聚苯胺/氧化锌纳米复合电阻型气体传感器及其绿色制备方法。

背景技术

随着信息技术的普及，物联网正日益成为我们生产生活的一部分，其中物体与网络的链接终端是重中之重，而基于化学传感的气体敏感传感器则是提供物质浓度、种类等信息的重要手段，在物联网信息获取和传递以及处理工程中起到关键作用。此外，当前环境污染十分严重，对于人类健康造成极大伤害，环境问题日益受到人民关注，对于空气质量监测及污染治理受到普遍关注，这都表明气体传感器将在未来的生产生活中越来越重要。随着环境保护力度的加大和国家经济结构的调整，安全绿色的生产理念正在广泛得到认同，而传统的化学工业因为众多有机试剂的使用而存在高污染、高危害的环境问题，发展新型的绿色环保的制备方法势在必行。在气体敏感材料中，无机金属氧化物半导体材料因为高的响应灵敏度，良好的重复性而受到广泛关注，在这之中ZnO由于宽的能带间隙，优异的压电效应等性质而受到广泛关注。S.Y.Ma等人利用CTAB为诱导剂，制备了3-D形状的氧化锌片（Xu X L, Chen Y, Ma S Y, et al. CTAB-assisted synthesis of unique 3D ZnO and the acetone sensing performances[J]. Materials Letters, 2015, 151: 5-8.），对丙酮有着良好的灵敏度，但是制备过程中采用了高温灼烧，能耗高，检测时温度高达300℃，这种情况下如果待检测气氛中存在易燃易爆气体，后果不堪设想。导电高聚物的出现为实现无机半导体材料在室温下对于气体的高灵敏度检测提供了一种新的思路。本征型导电高聚物自从上世纪70年代发现以来，发展迅速，其导电性能可以通过化学掺杂的方法大范围的调节，并且制备工艺简单，在用于室温检测的电阻型气体传感器方面得到了广泛应用。聚苯胺作为一种典型的本征导电高分子，其导电性可以通过酸掺杂的方法方便的调控，在室温下对多种气体具有响应。例如T.P. Radhakrishnan等人制备了聚苯胺薄膜电阻型的氨气传感器（Prasad G K, Radhakrishnan T P, Kumar D S, et al. Ammonia sensing characteristics of thin film based on polyelectrolyte templated polyaniline[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2005, 106(2): 626-631.），在室温下实现了对氨气的检测，但是迄今为止，以聚苯胺为代表的气体传感器灵敏度较低，并且响应时间很长，性能有待进一步提高。发展高灵敏度，且可以实现室温检测的新型高性能气体传感器成为研究的重点。

纳米材料是一种三维中任何一维尺寸在纳米级别的材料的统称。正是由于其纳米尺寸的影响，纳米材料具有不同于本体材料的特殊的纳米效应，进而产生了很多独特的性能。在传感器领域，得益于纳米材料的巨大的比表面积，纳米材料比本体材料拥有更多的反应活性位点，与待检测气体接触更紧密，能够大大提高反应速效，从而提高响应灵敏度，同时纳米材料的疏松结构也可有利于气体分子的扩散和流动，从而加快响应和改善响应可逆性。林乾乾等通过静电纺丝方法，制备了具有纳米结构的聚苯胺纳米纤维（Lin Q, Li Y, Yang M. Polyaniline nanofiber humidity sensor prepared by electrospinning[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2012, 161(1): 967-972.），作为湿度传感器在室温下展现出高灵敏度和快速响应的特点。因此，制备具有纳米结构的材料是提高气敏材料灵敏度的重要手段，但是一般的制备方法都是先制备纳米材料，而后进行器件制备，在转移过程中，纳米材料的分散性会受到破坏，所制备元件的一致性会受到影响。另一方面，在制备器件时，纳米材料往往与基底接触不好，引起界面电阻过大，从而影响电子传输过程，造成灵敏度的下降。