빠른 응답 및 회복 폴리아닐린 몬모릴로나이트 환원 그래핀옥사이드 고분자 나노복합재료, 시안화수소 가스 검출용

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8074(2023) 이 기사 인용

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본 연구에서는 폴리머 기반 가스 센서를 개발했습니다. 고분자 나노복합체는 아닐린과 암모늄 퍼설페이트 및 황산의 화학적 산화 중합에 의해 합성됩니다. 제작된 센서는 시안화수소(HCN) 가스 2ppm에서 PANI/MMT-rGO에 대해 4.56%의 감지 반응을 달성할 수 있다. PANI/MMT 및 PANI/MMT-rGO 센서의 감도는 각각 0.89ppm−1 및 1.1174ppm−1입니다. 센서 감도의 증가는 HCN 가스에 대한 더 많은 결합 사이트를 제공하는 MMT 및 rGO에 의해 제공되는 표면적의 증가로 인한 것일 수 있습니다. 센서의 감지 반응은 노출된 가스의 농도가 증가함에 따라 증가하지만 10ppm 이후에는 포화됩니다. 센서가 자동으로 복구됩니다. 센서는 안정적이며 8개월 동안 작동할 수 있습니다.

시안화수소(HCN) 증기는 생명체에 매우 위험합니다. HCN 가스를 흡입하면 세포의 산소 섭취 수준이 증가합니다1,2,3. HCN 가스의 독성 수준은 100ppm을 초과하며, 노출되면 1시간4 이내에 사람이 사망할 수 있습니다. 1984년 보팔 가스 참사는 하룻밤 사이에 무고한 3,787명의 목숨을 앗아갔습니다. 경고 경보 시스템(가스 센서)을 설치했다면 이러한 비극은 예방할 수 있었을 것입니다. 미량의 독성 가스(암모니아, 디메틸 메틸 포스포네이트(DMMP), 일산화탄소, 이산화탄소, 아산화질소, HCN)를 감지하는 것은 치명적인 사고를 예방하는 데 중요합니다. 따라서 마이크로, 나노 수준의 전자코 제작 및 개발이 필요하다. 나노 구조를 이용한 가스 센서 제작은 센서의 감도를 높입니다. 나노입자로 인한 표면적의 증가는 가스의 결합 부위를 증가시킵니다. 센서는 자극을 받을 때 전기 신호로 반응하는 장치입니다5,6,7,8,9,10. 화학저항 센서는 가스 노출 시 저항 변화 원리에 따라 작동합니다. 표준 센서는 상온에서의 작동, 주변 환경에서의 작동, 산소 또는 공기 공급이 필요 없고, 외부 자극이 필요하지 않으며, 저농도에서도 유독 가스를 감지할 수 있는 능력, 고감도 및 재현성 등의 특성을 만족해야 합니다. 빠른 응답 및 복구, 저렴한 비용 및 친환경11.

전도성 폴리머 기반 가스 센서는 금속 산화물 센서에 비해 높은 감도, 짧은 응답 시간, 실온에서의 작동 등 많은 장점을 갖고 있으며 도펀트의 특성에 따라 조정될 수 있습니다. 폴리머 기반 가스 센서의 감도는 표면 대 부피 비율이 크고, 크기가 작고, 가볍고, 기존 전자 시스템과의 통합이 용이하기 때문에 높습니다. 전 세계의 많은 연구자들이 유연성 증가, 표면 경도 향상 및 내열성(무기 성분으로 인해)과 같은 고유한 특성으로 인해 고분자 나노 복합 재료(유기-무기)에 주목하고 있습니다8,9,10,13,14,15 . Yang 등16은 QCM(quartz crystal microbalance) 기술16,17을 통해 HCN 가스를 검출한다고 보고했습니다.

여기에서는 반응 속도가 빠른 내화학성 방법으로 HCN 가스를 검출한 사례를 처음으로 보고합니다. 본 연구에서는 화학적 산화 중합을 통해 폴리아닐린/MMT-rGO 나노복합체를 합성했습니다. 본 연구에서는 안정성, 높은 감도, 우수한 전기 전도성, 저렴한 비용 및 실험실에서의 합성 용이성 때문에 PANI를 감지 재료로 사용했습니다. rGO는 높은 표면적, 열 안정성 및 전기 전도성으로 인해 더 많은 결합 사이트를 제공합니다. 몬모릴로나이트(MMT)는 높은 표면적, 다공성 구조(큰 표면적 제공), 높은 흡착 계수, 조정 가능한 특성(기능화)의 용이성, 환경 친화성 및 저렴한 비용으로 인해 본 연구에서 감지 물질로 사용됩니다. . 합성된 고분자 나노복합체 소재의 특징은 SEM, FTIR, XRD로 구분됩니다. 2ppm의 시안화수소(HCN) 가스에서 PANI/MMT-rGO에 대해 4.56%의 감지 반응을 달성할 수 있습니다. 센서는 HCN에 노출될 때마다 기준선으로 다시 복구됩니다. 센서는 안정적이며 지난 9개월 동안 성공적으로 작동했습니다.