高速応答および回復ポリアニリン モンモリロナイトが酸化グラフェンを還元するシアン化水素ガスの検出用ポリマー ナノ複合材料

Dec 22, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8074 (2023) この記事を引用

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現在の研究では、ポリマーベースのガスセンサーを開発しました。 ポリマーナノ複合材料は、アニリンと過硫酸アンモニウムおよび硫酸との化学酸化重合によって合成されます。 作製したセンサーは、シアン化水素 (HCN) ガス 2 ppm で PANI/MMT-rGO に対して 4.56% のセンシング応答を達成できます。 センサー PANI/MMT および PANI/MMT-rGO の感度は、それぞれ 0.89 ppm-1 および 1.1174 ppm-1 です。 センサーの感度の増加は、MMT および rGO によって提供される表面積の増加により、HCN ガスの結合部位が増加したためである可能性があります。 センサーの感知応答は、暴露されるガスの濃度が増加するにつれて増加しますが、10 ppm を超えると飽和します。 センサーは自動的に回復します。 センサーは安定しており、8 か月間動作します。

シアン化水素 (HCN) 蒸気は生体にとって非常に危険です。 HCN ガスを吸入すると、細胞による酸素の取り込みレベルが増加します1、2、3。 HCN ガスの毒性レベルは 100 ppm 以上で、暴露されると 1 時間以内に人間が死亡する可能性があります。 1984 年のボパールのガス悲劇では、一夜にして 3,787 人の罪のない人々が命を落としました。 何らかの警報装置（ガスセンサー）が設置されていれば、この悲劇は防げたかもしれません。 微量の有毒ガス（アンモニア、ジメチルメチルホスホネート（DMMP）、一酸化炭素、二酸化炭素、亜酸化窒素、HCN）の検出は、死亡事故を防ぐために重要です。 したがって、マイクロおよびナノレベルでの電子鼻の作製および開発が必要である。 ナノ構造を使用してガスセンサーを製造すると、センサーの感度が向上します。 ナノ粒子による表面積の増加により、ガスの結合サイトが増加します。 センサーは、刺激を受け取ると電気信号で応答するデバイスです5、6、7、8、9、10。 化学抵抗センサーは、ガスにさらされると抵抗が変化する原理に基づいて動作します。 標準センサーは、室温で動作すること、周囲環境で動作すること、酸素や空気の供給が不要であること、外部刺激が不要であること、低濃度の有毒ガスを検出できること、高感度と再現性が高いことなどの特性を満たしている必要があります。迅速な対応と回収、低コストで環境に優しい11.

導電性ポリマーベースのガスセンサーは、高感度、短い応答時間、室温での動作など、金属酸化物センサーに比べて多くの利点があり、ドーパントの性質によって調整可能です。 ポリマーベースのガスセンサーは、表面積対体積比が大きいため感度が高く、サイズがコンパクトで軽量で、既存の電子システムとの統合が容易です12。 世界中の多くの研究者が、（無機成分による）柔軟性の向上、表面硬度の向上、耐熱性の向上などのユニークな特性により、ポリマーナノ複合材料（有機-無機）に注目しています8、9、10、13、14、15。 。 Yang et al.16 は、水晶微量天秤 (QCM) 技術による HCN ガスの検出を報告しています 16,17。

今回我々は、高速応答性を有する化学抵抗法によるHCNガスの検出を初めて報告する。 本研究では、化学酸化重合によりポリアニリン/MMT-rGO ナノ複合材料を合成しました。 この研究では、その安定性、高感度、良好な導電性、低コスト、および実験室での合成の容易さのため、PANI をセンシング材料として使用しました。 rGO は、その高い表面積、熱安定性、および導電性により、より多くの結合部位を提供します。 モンモリロナイト（MMT）は、その高い表面積、多孔質構造（大きな表面積を提供する）、高い吸着係数、調整可能な特性（機能化）の容易さ、環境への優しさ、および低コストのため、本研究ではセンシング材料として使用されています。 。 合成されたポリマーナノ複合材料は、SEM、FTIR、および XRD によって特性評価されます。 PANI/MMT-rGO では、シアン化水素 (HCN) ガス 2 ppm で 4.56% のセンシング応答を達成できます。 センサーは、HCN に曝露されるたびにベースラインに回復します。 センサーは安定しており、過去 9 か月間正常に動作しています。