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打破世界记录!苏州大学研究人员实现10 ppt级氨气检测

2019-2-11 07:57| 发布者: 一条龙| 查看: 95| 评论: 0

摘要: 近年来随着环境问题愈发突出,以及工业发展、房屋装修、等排放的有毒有害气体对人体健康构成巨大威胁,气体传感器一直是科研人员的研究热点。许多材料如金属氧化物、硫化物,碳材料,有机半导体材料等都在气体传感领 ...

近年来随着环境问题愈发突出,以及工业发展、房屋装修、等排放的有毒有害气体对人体健康构成巨大威胁,气体传感器一直是科研人员的研究热点。许多材料如金属氧化物、硫化物,碳材料,有机半导体材料等都在气体传感领域都有所应用。但其检测限普遍局限于ppm级别,ppb级别相对较少,而ppt浓度气体的检测更鲜有报道苏州大学路建美教授和贺竞辉副教授等人基于提出的共轭双氢键原则设计出一种有机半导体材料-聚方酰胺,能够实现10 ppt的氨气检测,为所有氨气检测方法世界最低,以及20 ppb一氧化氮的检测,并且响应时间、重复性、批次重现性、长期稳定性均表现十分出色。

1.1 材料的选择

气敏材料与气体分子之间的合适的相互作用力对于气体传感器的性能十分关键-弱的相互作用力会导致低的灵敏度和选性,而强的相互作用力通常带来差的回复性和稳定性。而氢键由于其适中的强度(4–40 kJ/mol)在传感领域有巨大优势。他们研究表明方酰胺中的双氢键为气体分子与气敏材料之间提供了可逆且适中的相互作用力。同时他们通过红外光谱,和频振动光谱以及理论计算对基于双氢键气体传感机理提供了相应的证明。


打破世界记录!苏州大学研究人员实现10 ppt级氨气检测

▲图a:偶氮方酰胺高分子合成反应与结构。图b: 方酰胺产物形貌。图c: 气体传感器件图。

1.2.1 氨气的检测

他们发现传感器的电流水平随着氨气的浓度上升而下降,并且在通入10 ppt的氨气时,传感器仍然具有很明显的响应,其信号的信噪比为12


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▲图a: 传感器在不同浓度氨气氛围下的电流变化曲线。图b: 传感器的响应大小与氨气浓度的线性拟合曲线。图c、d: 不同氨气浓度下的电流的瞬时变化曲线。

1.2.2 一氧化氮的检测

同时他们发现传感器的电流水平随着一氧化氮的浓度上升而增大,并且所制备的传感器能检测最低20 ppb的一氧化氮。


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▲图a: 传感器在不同浓度一氧化氮氛围下的电流变化曲线。图b: 传感器的响应大小与一氧化氮浓度的线性拟合曲线。图c: 不同氨气浓度下的电流的瞬时变化曲线。图d:传感器在400 ppb一氧化氮的响应/回复时间。

1.3 选择性和稳定性

所制备的传感器同时具有良好的选择性,时间稳定性(≥240天),以及良好的批次重现性、长期稳定性。


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▲图a:传感器的选择性。图b,c:时间稳定性。图d,e:同一批次不同五个器件的稳定性。



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▲图a, b:双氢键作用模型。c, d : 双氢键的SFG和IR谱证据。

1.4 双氢键作用机理

原位和频产生谱(SFG)、红外(IR)和理论计算确认方酰胺聚合物中两个N-H与氨气和一氧化氮中N原子形成了两个双键(键能~0.7 eV),大大增强了气体的亲和力和敏感度。

研究者还探究了不同制备方法调控其形貌从而研究材料的传感性能的影响。

该研究的最大意义在于打破了氨气传感下限的记录、提供了一个基于双氢键作用的新有机传感材料的设计的方法。

上述工作发表在Mater. Horiz. 杂志,第一作者为硕士研究生周金

该论文作者为:Jin Zhou, Hongzhen Lin, Xue-Feng Cheng, Jie Shu, Jing-Hui He, Hua Li, Qing-Feng Xu, Na-Jun Li, Dong-Yun Chen, Jian-Mei Lu

Ultrasensitive and robust organic gas sensors through dual hydrogen bonding,Mater. Horiz. , 2018, DOI: 10.1039/c8mh01098f

课题组介绍:

http://lupolymer.org/zh/



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来源:高分子科学前沿

投稿 荐稿 合作:editor@polysci.cn


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