[发明专利]一种磷酸掺杂的多孔聚苯并咪唑电解质膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种磷酸掺杂的多孔聚苯并咪唑电解质膜的制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)将聚苯并咪唑树脂颗粒溶解在有机溶剂中，并搅拌至聚苯并咪唑颗粒完全溶解，形成浓度为10～12％的聚苯并咪唑溶液；(2)在上述聚苯并咪唑溶液中加入酞酸二丁酯，搅拌得到均匀的混合溶液，采用该混合溶液铸膜，除去酞酸二丁酯，得到多孔聚苯并咪唑电解质膜；(3)将上述多孔聚苯并咪唑电解质膜置于浓度为2～10mol/L的磷酸溶液中浸泡，得到磷酸掺杂的多孔聚苯并咪唑电解质膜。本发明的电解质膜具有优异的线性度、灵敏度以及对检测气体的高选择性，展现了其作为下一代传感器的潜力。

技术领域

本发明属于聚合物电解质交换膜技术领域，特别涉及一种磷酸掺杂的多孔聚苯并咪唑电解质膜及其制备方法和应用。

背景技术

气体传感器技术可分为电信号传感技术和非电信号传感技术，其研究渗透结合了化学、力学、热学、生物学、半导体技术、微电子技术等多门学科，并广泛应用于汽车，航空，安检，环境，食品，医药安全等诸多领域。例如，治疗糖尿病唯一有效的手段是长期监测，通过控制饮食、体质锻炼及药物治疗来对患者体内血糖含量加以调控，开发糖尿病的无创监测技术与器件，一直是科研人员的努力方向。

糖尿病患者体内会因脂肪分解而产生大量丙酮，体内过剩的丙酮气体会随着患者的呼吸排出体外。因此以丙酮作为糖尿病监测的指标气体，以此思路研究设计的气体传感器为糖尿病无创监测领域提供了新的可能性。其中，电化学气体传感器利用了微型燃料电池的原理，具有体积小、功耗小、线性规律好和重复性好等优点，而获得研究人员的广泛关注。根据燃料电池工作原理，待测气体在工作电极上发生电化学反应，所产生的电流与其浓度成正比并遵循法拉第定律，因此通过测定电流大小即可确定待测气体的浓度。

以用于糖尿病监测的技术的丙酮燃料电池电化学传感器为例，丙酮燃料电池电化学传感器被认为是最有希望应用于糖尿病监测的技术之一。与其他技术相比，以丙酮燃料电池电化学传感器为代表的电化学气体传感器的优势可概括为以下几点：无创性--此技术只需检测患者呼吸气体中丙酮浓度，和传统血糖检测仪的针刺取血法相比，检测过程更加简单方便，此项技术也可用于非糖尿病患者的运动和饮食规律检测；快速响应--由于肺泡内血液和气体的快速平衡反应，此检测手段不存在滞后时间，这使得患者能够在第一时间得到准确可靠的响应数据，从而能够更好的控制病情；设计简单--大多数气体传感器检测技术需要额外电源供给设备运作，而对于燃料电池技术来说，丙酮则可直接作为燃料供给电能。这就使得设备设计更为简单，不需要外载电源，从而降低了产品成本；高选择性--与基于半导体原理的气体传感器相比，燃料电池技术气体传感器只对丙酮有选择性响应，从而使干扰达到最小。

以用于糖尿病监测技术的丙酮燃料电池电化学传感器为例，电化学气体传感器工作原理如图1所示：当丙酮分子进入此微型燃料电池阳极时，丙酮氧化反应随即发生，生成质子、电子、乙酸和二氧化碳。其中，质子穿过固态电解质膜到达阴极，与氧气在阴极处结合而发生氧还原反应，生成产物水。电子则通过外电路从阳极到达阴极，产生电信号。电信号聚集形成电流，电流大小与丙酮气体浓度成正比并遵循法拉第定律，通过监测电流大小即可判断丙酮含量。固体电解质膜质子传导技术为丙酮燃料电池核心技术之一。固体电解质的质子传导率高低和电解质膜的物理化学稳定性直接影响了燃料电池的性能。

因此，要实现基于丙酮燃料电池原理的新型高效呼吸式血糖无创检测器件，非常有必要发展高选择性和高稳定性的固体电解质膜。在目前的文献报道中，传统聚合物电解质膜，即全氟磺酸膜(或112)被广泛成功应用于电化学气体传感器中。但是，Nafion膜性能对环境湿度和温度敏感。当周围环境湿度降低时，Nafion膜会因失水而降低离子电导率，进而影响传感器的稳定性和灵敏性；当周围环境湿度升高是，水蒸气分子凝结成液态水，会造成传感器催化层水淹的现象，同时还会出现稀释丙酮等反应物的现象；当周围环境温度降低时，传感器阴阳极催化动力学反应减弱，同时反应中间产物会进一步是传感器催化剂中毒，这都会使大大影响传感器的使用寿命。因此，研发一种高效稳定的固体电解质膜对电化学气体传感器的发展至关重要。

发明内容