[发明专利]一种可用于高湿度环境下痕量检测二氧化氮的克酮酸菁聚合物传感器及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了可用于高湿度环境下痕量检测二氧化氮的克酮酸聚合物传感器及其应用，为基于含共轭双离子结构的萘二胺基克酮酸菁聚合物的二氧化氮电阻式传感器，包括疏水层、叉指电极以及覆于叉指电极上的镀膜材料。疏水层为聚偏氟乙烯，可以抵御高达70%的环境湿度；镀膜材料为含共轭双离子结构的萘二胺基克酮酸菁聚合物，显示出对二氧化氮的优异的传感选择性，此外该传感器可在高湿常温下稳定工作，其能够检测低至40 ppb的浓度，响应/回复时间为182 s/165 s；同时基于含共轭双离子结构的萘二胺基克酮酸菁聚合物的二氧化氮传感器具有优异的选择性，可以有效排除其他气体的干扰。

技术领域

本发明属于有机半导体器件技术领域，具体涉及一种克酮酸菁聚合物及超疏水传感器与制备方法，可用于高湿度环境下痕量检测二氧化氮。

背景技术

现代社会高度依赖化石燃料燃烧产生的能源，这会排放大量的废气。此外，对汽车的需求迅速增长，而汽车的内燃机排放的气体造成了严重的环境问题 (酸雨)和健康问题(呼吸道疾病)。因此，在全球范围内对减少汽车污染物排放进行监管是全球最迫切的问题之一。虽然所有这些排放的气体都对人类健康有害，但二氧化氮 (NO₂)作为氮氧化物 (NO_x)的一种代表性气体，不仅对环境而且对人体有着巨大的危害，因而备受关注。尤其对于哮喘患者、儿童和老年人而言，暴露在ppb水平的二氧化氮中的风险更高，对身体的损伤更大。为了方便快捷的实现对ppb级别的NO₂的检测，许多研究小组致力于制造新型高性能NO₂传感器。在各种类型的传感器中，有机化学电阻传感器的二氧化氮传感器具有灵敏度高、热稳定性好、机械稳定性好、生产成本低等优点，在科学和工业领域都受到了越来越多的关注。尽管在灵敏度、选择性和快速响应/恢复时间方面进行了广泛的研究，但很少关注传感器对环境条件的强烈依赖性。事实上，半导体气体传感器的化学电阻响应不仅受到目标气体浓度的影响，而且还受到周围大气湿度变化的影响，从而将其应用限制在实验室水平。

到目前为止，为了实现屏蔽传感器件在工作过程中的湿度干扰，研究人员大多选用疏水性的传感材料。Young Kyu Jeong课题组制备了一种疏水的共轭有机纳米片(CONs)，由于材料本身优异的疏水性和高达200 °C的高温稳定性，制备的传感设备能够在高湿环境下仍然能保持基线水平的不变化，从而很好的屏蔽湿度对响应信号的影响。但是，有机半导体作为一类优异的传感材料，很多具有优异性能的材料往往不能兼具疏水性的特性。离子共轭材料作为一种新兴的传感材料，通过合理的结构设计已经实现了对多种气体的高选择、高灵敏度的检测，但是由于其刚性的共轭骨架使得其往往不具有疏水特性，因而在气体检测过程中受湿度影响较大。因而开发一种有效的方法使得该类材料能够在高湿下稳定工作至关重要。现有技术公开了稠环方酰胺聚合物二氧化氮传感器及其制备方法和用途，包括清洁基板，并将叉指电极固定在所述基板上；称取稠环方酰胺聚合物分散在乙醇中，然后均匀刷涂至已经洗净烘干的叉指电极上，随后将刷好的器件在烘箱内干燥，得到稠环方酰胺聚合物二氧化氮传感器。但是现有有机传感材料受湿度影响较大，无法在高湿度下工作。

发明内容

针对上述情况，本发明采用一种在萘二胺基克酮酸菁聚合物表面制备疏水层来制备二氧化氮传感器，并且通过在高湿度环境下改变二氧化氮的浓度来观察传感器的电流变化以检测不同浓度二氧化氮。本发明的二氧化氮传感器可以抵抗80%的环境湿度，且对40ppb的二氧化氮具有好的检测限能力，另外，传感器制作方便，价格低廉，稳定性好。

本发明公开了一种可用于高湿度环境下痕量检测二氧化氮的克酮酸菁聚合物传感器，包括疏水层、叉指电极以及覆于叉指电极上的萘二胺基克酮酸菁聚合物膜。

本发明公开了一种痕量检测二氧化氮的克酮酸菁聚合物传感器，包括叉指电极以及覆于叉指电极上的萘二胺基克酮酸菁聚合物膜。

本发明中，萘二胺基克酮酸菁聚合物的化学结构式如下：

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