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江雷院士团队:有序组装构建导电纳米线阵列用于有机气体检测
2019-05-10 来源:中国流变网    点击次数:94次    

  基于电信号的化学传感器一直是有机气体检测器的重要元件,这主要是因为电信号本身具有可放大性,从而可以提高检测器的灵敏度。该领域之前的研究主要都是基于掺杂如炭黑、银粒子和碳纳米管等导电材料的聚合物膜,通过有机气体接触聚合物膜时产生溶胀变化,从而引起电信号变化的原理进行检测。但是这种方法需要制备较大面积的膜,成本较高且灵敏度受到限制。因此,制备阵列化的一维纳米线结构来替代二维膜结构,通过增加检测元件的比表面积来提高传感器的灵敏度,具有重要意义,同时前期的工作中也极少有通过调控高分子结构来提高检测器效率的报道。

  近日,中科院理化所江雷院士团队通过利用固体表面浸润性原理,将银纳米粒子溶液形成取向性液桥,再通过溶剂挥发制备出大面积规整的银粒子纳米线,在此基础上通过二次去浸润过程,将聚合物包覆在银粒子纳米线表面,制备一维同轴复合型纳米线阵列。当外层聚合物接触有机气体时发生溶胀现象,导致聚合物链对内层银粒子产生挤压,使纳米线的整体导电性下降。不同有机气体引起纳米线导电性下降的程度存在差异,从而实现对不同有机气体的检测。

图1基于浸润性原理,利用二次去浸润方法制备一维银粒子/聚合物复合纳米线阵列的方法及其对有机气体检测的原理

  所制备的一维检测器元件具有良好的有机气体检测性能,检测器在响应时间、可擦除性、检测范围等方面均具有优异性能,其最低检测限可以达到0.5ppm级别。在此基础上通过利用不同种类的十种商用高分子材料分别作为包覆外层,制备出十种不同银粒子/聚合物复合纳米线阵列作为检测元件,利用这些元件对甲醇、乙醇、苯、甲苯、正己烷和丙酮等有机气体进行检测,并将将数据进行主成分分析,证明利用这十种检测元件可以精准区分每一种气体,从而构成一个完整的气体识别检测器。

图2(a)检测器响应时间,(b)检测器循环检测效果,(c)不同有机气体分压下检测器性能,(d)最低检测限测试,(e)通过主成分分析法运算实现不同气体的检测识别,(f)通过主成分分析法运算验证未知气体种类

  在上述工作基础上,团队首次通过调整聚合物的侧链结构来实现对性质相似有机气体的精确检测。团队合成出具有不同侧链结构的聚醚砜材料(PES-R),并将其分别作为包覆层构建出不同的银粒子/聚合物复合纳米线阵列,实现对甲醇和乙醇的区分。利用相似相容原理以及通过汉森溶度参数进行理论计算,可以确定出对甲醇和乙醇区分度最高的聚合物结构,从而利用这种聚合物制备检测器元件实现对甲醇和乙醇混合气体中各组分具体含量的精确识别。

图3(a)设计具有不同侧链结构的聚醚砜材料,利用侧链与甲醇和乙醇气体作用力差异实现对甲醇和乙醇的区分检测,(b)不同侧链对于甲醇和乙醇检测的区分度效果,(c)通过汉森溶度参数运算验证不同侧链与甲醇和乙醇的作用力差异,(d)检测器对甲醇和乙醇混合气体中各组分含量的检测

  以上成果发表在Small(Small, 2019)上。论文第一作者为中科院理化所博士后姜翔宇,通讯作者为中科院理化所江雷院士张锡奇副研究员吴雨辰博士

  论文链接:https://doi.org/10.1002/smll.201900590

 
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