Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Cảm biến amoniac (NH3) dựa trên polyaniline nhạy bén và chọn lọc với kỹ thuật in phun khí: con đường hướng tới phát hiện khí với chi phí thấp và tiêu thụ năng lượng thấp
Tóm tắt
Chúng tôi báo cáo thiết kế và sản xuất mở rộng một cảm biến khí amoniac (NH3) dựa trên polyaniline (PANI) có chi phí thấp và tiêu thụ năng lượng thấp trên nền polyimide (PI) bằng cách sử dụng các kỹ thuật sản xuất bổ sung. Các mảng điện cực xen kẽ bạc (IDE) và phim polymer dẫn điện được in lên PI bằng công nghệ in trực tiếp khí aerosol. Các đặc điểm hình thái học được kiểm tra bằng kính hiển vi điện tử quét và phân tích tia X tán xạ năng lượng, cho thấy phim PANI được in đồng nhất trên nền IDE. Hiệu suất cảm biến khí được đánh giá trong phạm vi phát hiện rò rỉ sớm phân tích từ 5–1000 ppm NH3 trong không khí tùy thuộc vào cả nhiệt độ (23 °C, 50 °C, 80 °C) và độ ẩm tương đối (RH = 0%, 30%, 50%). Cảm biến cho thấy độ nhạy xuống đến 5 ppm NH3 với giới hạn phát hiện dưới ppm và độ lặp lại tốt. Chúng tôi quan sát thấy việc phát hiện NH3 nhanh chóng ở 0% RH với thời gian ổn định và phục hồi rất lâu. Tuy nhiên, ở cả 30 và 50% RH, thời gian phản ứng và phục hồi ở nhiệt độ phòng giảm xuống chỉ còn khoảng 1 phút và 5 phút, tương ứng. Các thí nghiệm cũng cho thấy độ nhạy tốt đối với phân tích ngay cả ở các nhiệt độ hoạt động cao hơn. Kết quả hiện tại xứng đáng với ứng dụng thực tiễn của các cảm biến in phun khí tiêu thụ năng lượng thấp trong các ứng dụng công nghiệp, nơi phát hiện khí độc mức thấp là rất cần thiết.
Từ khóa
#cảm biến khí #amoniac #polyaniline #in phun khí #sản xuất bổ sung #độ nhạy #độ ẩm tương đốiTài liệu tham khảo
Stratospheric Ozone Protection. U.S. Code, § 7671. Title 42, 2000.
United States Environmental Protection Agency. Phaseout of Class II Ozone-Depleting Substances https://www.epa.gov/ods-phaseout/phaseout-class-ii-ozone-depleting-substances.
Francis C, Maidment G, Davies G (2017) An investigation of refrigerant leakage in commercial refrigeration. Int J Refrig 74:12–21. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2016.10.009
Koronaki IP, Cowan D, Maidment G, Beerman K, Schreurs M, Kaar K, Chaer I, Gontarz G, Christodoulaki RI, Cazauran X (2012) Refrigerant emissions and leakage prevention across Europe – results from the realskillseurope project. Energy 45(1):71–80. https://doi.org/10.1016/j.energy.2012.05.040
Beshr M, Aute V, Sharma V, Abdelaziz O, Fricke B, Radermacher R (2015) A comparative study on the environmental impact of supermarket refrigeration systems using low GWP refrigerants. Int J Refrig 56:154–164. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2015.03.025
Joshi, P. Peel and Stick Sensor for Refrigerant Leak Detection https://www.energy.gov/sites/prod/files/2019/05/f62/bto-peer-2019-ornl-peel-stick-sensor-refrig-leak-det.pdf.
Pearson A (2008) Refrigeration with ammonia. Int J Refrig 31(4):545–551. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2007.11.011
Harby K (2017) Hydrocarbons and their mixtures as alternatives to environmental unfriendly halogenated refrigerants: an updated overview. Renew Sustain Energy Rev 73:1247–1264. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.02.039
Daniel, J. S.; Velders , G. J. M. Halocarbon Scenarios, Ozone Depletion Potentials, and Global Warming Potentials. In Scientific Assessment of Zzone Depletion: 2006; Global Ozone Research and Monitoring Project; World Meteorological Organization: Geneva, Switzerland, 2007; Vol. 50, pp 8.1–8.39.
Pandey S (2016) Highly sensitive and selective chemiresistor gas/vapor sensors based on polyaniline nanocomposite: a comprehensive review. J Sci Adv Mater Devices 1(4):431–453. https://doi.org/10.1016/j.jsamd.2016.10.005
Tanguy NR, Thompson M, Yan N (2018) A review on advances in application of polyaniline for ammonia detection. Sens Actuators B Chem 257:1044–1064. https://doi.org/10.1016/j.snb.2017.11.008
Fratoddi I, Venditti I, Cametti C, Russo MV (2015) Chemiresistive polyaniline-based gas sensors: a mini review. Sens Actuators B Chem 220:534–548. https://doi.org/10.1016/j.snb.2015.05.107
Molapo KM, Ndangili PM, Ajayi RF, Mbambisa G, Mailu SM, Njomo N, Masikini M, Baker P, Iwuoha EI (2012) Electronics of conjugated polymers (I): polyaniline. Int J Electrochem Sci 7:11859–11875
Liao G, Li Q, Xu Z (2019) The chemical modification of polyaniline with enhanced properties: a review. Prog Org Coat 126:35–43. https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2018.10.018
Crowley K, Morrin A, Hernandez A, O’Malley E, Whitten PG, Wallace GG, Smyth MR, Killard AJ (2008) Fabrication of an ammonia gas sensor using inkjet-printed polyaniline nanoparticles. Talanta 77(2):710–717. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2008.07.022
Rizzo G, Arena A, Donato N, Latino M, Saitta G, Bonavita A, Neri G (2010) Flexible, all-organic ammonia sensor based on dodecylbenzene sulfonic acid-doped polyaniline films. Thin Solid Films 518(23):7133–7137. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2010.07.016
Crowley K, O’Malley E, Morrin A, Smyth MR, Killard AJ (2008) An Aqueous ammonia sensor based on an inkjet-printed polyaniline nanoparticle-modified electrode. Analyst 133(3):391–399. https://doi.org/10.1039/B716154A
Huang Q, Zhu Y (2019) Printing Conductive Nanomaterials for Flexible and Stretchable Electronics: A Review of Materials, Processes, and Applications. Adv Mater Technol 4(5):1800546. https://doi.org/10.1002/admt.201800546
Kuswandi B, Jayus M, Restyana A, Abdullah A, Heng LY, Ahmad MA (2012) Novel colorimetric food package label for fish spoilage based on polyaniline film. Food Control 25(1):184–189. https://doi.org/10.1016/j.foodcont.2011.10.008
Le Maout P, Wojkiewicz JL, Redon N, Lahuec C, Seguin F, Dupont L, Mikhaylov S, Noskov Y, Ogurtsov N, Pud A (2018) Polyaniline nanocomposites based sensor array for breath ammonia analysis. Portable e-Nose approach to non-invasive diagnosis of chronic kidney disease. Sens Actuators B Chem 274:616–626. https://doi.org/10.1016/j.snb.2018.07.178
Haynes, A.; Gouma, P.-I. Polyaniline-Based Environmental Gas Sensors. In Sensors for Environment, Health and Security; Baraton, M.I., Ed.; NATO Science for Peace and Security Series C: Environmental Security; Springer Netherlands: Dordrecht, 2009; pp 451–459. https://doi.org/https://doi.org/10.1007/978-1-4020-9009-7_30.
Moulton SE, Innis PC, Kane-Maguire LAP, Ngamna O, Wallace GG (2004) Polymerisation and characterisation of conducting polyaniline nanoparticle dispersions. Curr Appl Phys 4(2):402–406. https://doi.org/10.1016/j.cap.2003.11.059
Ngamna O, Morrin A, Killard AJ, Moulton SE, Smyth MR, Wallace GG (2007) Inkjet printable polyaniline nanoformulations. Langmuir ACS J Surf Colloids 23(16):8569–8574. https://doi.org/10.1021/la700540g
Huang, J.; Kaner, R. B. Polyaniline nanofibers: Syntheses, properties, and applications. In Conjugated Polymers: Theory, Synthesis, Properties, and Characterization; CRC Press: Boca Raton, FL, 2007; Vol. 1, pp 7.1–7.49.
Deshpande NG, Gudage YG, Sharma R, Vyas JC, Kim JB, Lee YP (2009) Studies on tin oxide-intercalated polyaniline nanocomposite for ammonia gas sensing applications. Sens Actuators B Chem 138(1):76–84. https://doi.org/10.1016/j.snb.2009.02.012
Tai H, Jiang Y, Xie G, Yu J (2010) Preparation, characterization and comparative NH3-sensing characteristic studies of pani/inorganic oxides nanocomposite thin films. J Mater Sci Technol 26(7):605–613. https://doi.org/10.1016/S1005-0302(10)60093-X
Gavgani JN, Hasani A, Nouri M, Mahyari M, Salehi A (2016) Highly sensitive and flexible ammonia sensor based on S and N Co-doped graphene quantum dots/polyaniline hybrid at room temperature. Sens Actuators B Chem 229:239–248. https://doi.org/10.1016/j.snb.2016.01.086
Pang Z, Yang Z, Chen Y, Zhang J, Wang Q, Huang F, Wei Q (2016) A room temperature ammonia gas sensor based on cellulose/TiO2/PANI composite nanofibers. Colloids Surf Physicochem Eng Asp 494:248–255. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2016.01.024
Li J, Lu Y, Ye Q, Cinke M, Han J, Meyyappan M (2003) Carbon Nanotube sensors for gas and organic vapor detection. Nano Lett 3(7):929–933. https://doi.org/10.1021/nl034220x
Currie LA (1999) Nomenclature in evaluation of analytical methods including detection and quantification capabilities: (IUPAC recommendations 1995). Anal Chim Acta 391(2):105–126. https://doi.org/10.1016/S0003-2670(99)00104-X
Grigore L, Petty MC (2003) Polyaniline films deposited by anodic polymerization: properties and applications to chemical sensing. J Mater Sci Mater Electron 14(5):389–392. https://doi.org/10.1023/A:1023908903260
Kumar L, Rawal I, Kaur A, Annapoorni S (2017) Flexible room temperature ammonia sensor based on polyaniline. Sens Actuators B Chem 240:408–416. https://doi.org/10.1016/j.snb.2016.08.173
Kulkarni MV, Apte SK, Naik SD, Ambekar JD, Kale BB (2013) Ink-Jet printed conducting polyaniline based flexible humidity sensor. Sens Actuators B Chem 178:140–143. https://doi.org/10.1016/j.snb.2012.12.046
Zhang Y, Duan Y, Liu J (2017) The effect of intermolecular hydrogen bonding on the polyaniline water complex. J Clust Sci 28(3):1071–1081. https://doi.org/10.1007/s10876-016-1104-x
Kulkarni MV, Viswanath AK (2007) Sulphonic acids doped Poly(N-Ethyl Aniline): a material for humidity sensing application. Polym Eng Sci 47(10):1621–1629. https://doi.org/10.1002/pen.20838
Mikhaylov S, Ogurtsov N, Noskov Y, Redon N, Coddeville P, Wojkiewicz JL, Pud A (2015) Ammonia/Amine electronic gas sensors based on hybrid Polyaniline–TiO2 nanocomposites. The effects of titania and the surface active doping acid. RSC Adv. 5(26):20218–20226. https://doi.org/10.1039/C4RA16121A
Wang J, Chan S, Carlson RR, Luo Y, Ge G, Ries RS, Heath JR, Tseng H-R (2004) Electrochemically fabricated polyaniline nanoframework electrode junctions that function as resistive sensors. Nano Lett 4(9):1693–1697. https://doi.org/10.1021/nl049114p
Cho S, Lee JS, Joo H (2019) Recent developments of the solution-processable and highly conductive polyaniline composites for optical and electrochemical applications. Polymers 11(12):1965. https://doi.org/10.3390/polym11121965
Yue J, Epstein AJ, Zhong Z, Gallagher PK, Macdiarmid AG (1991) Thermal stabilities of polyanilines. Synth Met 41(1–2):765–768. https://doi.org/10.1016/0379-6779(91)91180-I
Chen T, Dong C, Li X, Gao J (2009) Thermal degradation mechanism of dodecylbenzene sulfonic acid- hydrochloric acid co-doped polyaniline. Polym Degrad Stab 94(10):1788–1794. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2009.06.011
Patil PT, Anwane RS, Kondawar SB (2015) Development of Electrospun Polyaniline/ZnO composite nanofibers for LPG sensing. Procedia Mater Sci 10:195–204. https://doi.org/10.1016/j.mspro.2015.06.041
Sharma HJ, Jamkar DV, Kondawar SB (2015) Electrospun nanofibers of conducting Polyaniline/Al-SnO2 composites for hydrogen sensing applications. Procedia Mater Sci 10:186–194. https://doi.org/10.1016/j.mspro.2015.06.040
Šeděnková I, Trchová M, Stejskal J (2008) Thermal degradation of polyaniline films prepared in solutions of strong and weak acids and in water – FTIR and raman spectroscopic studies. Polym Degrad Stab 93(12):2147–2157. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2008.08.007