Schnelle Reaktion und Erholung: Polyanilin-Montmorillonit reduziert Graphenoxid-Polymer-Nanokompositmaterial zur Erkennung von Cyanwasserstoffgas

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 8074 (2023) Diesen Artikel zitieren

903 Zugriffe

1 Altmetrisch

Details zu den Metriken

In der vorliegenden Arbeit haben wir einen Gassensor auf Polymerbasis entwickelt. Die Polymer-Nanokomposite werden durch die chemische oxidative Polymerisation von Anilin mit Ammoniumpersulfat und Schwefelsäure synthetisiert. Der hergestellte Sensor ist in der Lage, eine Erfassungsreaktion von 4,56 % für PANI/MMT-rGO bei 2 ppm Cyanwasserstoffgas (HCN) zu erreichen. Die Empfindlichkeit der Sensoren PANI/MMT und PANI/MMT-rGO beträgt 0,89 ppm−1 bzw. 1,1174 ppm−1. Der Anstieg der Empfindlichkeit des Sensors kann auf eine Vergrößerung der durch MMT und rGO bereitgestellten Oberfläche zurückzuführen sein, die mehr Bindungsstellen für das HCN-Gas bereitstellte. Die Erfassungsreaktion des Sensors nimmt zu, wenn die Konzentration des exponierten Gases zunimmt, erreicht jedoch nach 10 ppm eine Sättigung. Der Sensor erholt sich automatisch. Der Sensor ist stabil und kann 8 Monate lang arbeiten.

Der Dampf von Wasserstoffcyanid (HCN) ist für lebende Organismen äußerst gefährlich. HCN-Gas erhöht beim Einatmen die Sauerstoffaufnahmemenge der Zelle1,2,3. Der toxische Wert des HCN-Gases liegt über 100 ppm und kann bei Exposition einen Menschen innerhalb von 1 Stunde4 töten. Bei der Gaskatastrophe in Bhopal im Jahr 1984 kamen in einer einzigen Nacht 3.787 unschuldige Menschen ums Leben. Diese Tragödie hätte verhindert werden können, wenn ein Warnalarmsystem (Gassensor) installiert worden wäre. Der Nachweis von Spuren giftiger Gase (Ammoniak, Dimethylmethylphosphonat (DMMP), Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Lachgas, HCN) ist wichtig, um einen tödlichen Unfall zu verhindern. Daher sind die Herstellung und Entwicklung elektronischer Nasen auf Mikro- und Nanoebene erforderlich. Die Herstellung von Gassensoren mithilfe von Nanostrukturen erhöht die Empfindlichkeit der Sensoren. Durch die Oberflächenvergrößerung durch Nanopartikel vergrößern sich die Bindungsstellen des Gases. Ein Sensor ist ein Gerät, das auf einen Reiz mit einem elektrischen Signal reagiert5,6,7,8,9,10. Chemiresistenzsensoren arbeiten nach dem Prinzip der Widerstandsänderung bei Gaseinwirkung. Ein Standardsensor sollte die folgenden charakteristischen Merkmale erfüllen, wie z. B. Betrieb bei Raumtemperatur, Betrieb in der Umgebungsumgebung und kein Bedarf an Sauerstoff- oder Luftzufuhr, kein externer Stimulus erforderlich, Fähigkeit zur Erkennung giftiger Gase in geringer Konzentration, hohe Empfindlichkeit und Reproduzierbarkeit, schnelle Reaktion und Wiederherstellung, niedrige Kosten und umweltfreundlich11.

Leitende Gassensoren auf Polymerbasis haben gegenüber Metalloxidsensoren zahlreiche Vorteile, wie z. B. hohe Empfindlichkeit, kurze Ansprechzeit, Betrieb bei Raumtemperatur und können durch die Art des Dotierstoffs abgestimmt werden. Die Empfindlichkeit des Gassensors auf Polymerbasis ist aufgrund des großen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisses hoch, kompakt in der Größe, leicht und einfach in bestehende elektronische Systeme zu integrieren12. Viele Forscher auf der ganzen Welt achten auf das Polymer-Nanokompositmaterial (organisch-anorganisch) aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften wie erhöhter Flexibilität, verbesserter Oberflächenhärte und Hitzebeständigkeit (aufgrund anorganischer Komponenten)8,9,10,13,14,15 . Yang et al.16 haben über den Nachweis von HCN-Gas mithilfe der Quarzkristall-Mikrowaagentechnik (QCM)16,17 berichtet.

Hier berichten wir zum ersten Mal über den Nachweis von HCN-Gas durch eine chemische Resistenzmethode mit schneller Reaktion. In der vorliegenden Arbeit haben wir das Polyanilin/MMT-rGO-Nanokomposit durch chemische oxidative Polymerisation synthetisiert. Wir haben PANI in dieser Studie aufgrund seiner Stabilität, hohen Empfindlichkeit, guten elektrischen Leitfähigkeit, geringen Kosten und einfachen Synthese im Labor als Sensormaterial verwendet. rGO bietet aufgrund seiner großen Oberfläche, thermischen Stabilität und elektrischen Leitfähigkeit mehr Bindungsstellen. Montmorillonit (MMT) wird in der vorliegenden Studie aufgrund seiner großen Oberfläche, seiner porösen Struktur (die die große Oberfläche bereitstellt), seines hohen Adsorptionskoeffizienten, seiner leicht einstellbaren Eigenschaft (Funktionalisierung), seiner Umweltfreundlichkeit und seiner geringen Kosten als Sensormaterial verwendet . Das synthetisierte Polymer-Nanokompositmaterial wird durch SEM, FTIR und XRD charakterisiert. Für PANI/MMT-rGO können wir bei 2 ppm Cyanwasserstoffgas (HCN) eine Erfassungsreaktion von 4,56 % erreichen. Der Sensor erholt sich nach jeder HCN-Exposition wieder auf die Grundlinie. Der Sensor ist stabil und funktioniert seit 9 Monaten erfolgreich.

Anilin (C6H5NH2), Schwefelsäure (H2SO4), Salzsäure (HCl), Ammoniumpersulfat ((NH4)2S2O8), Kaliumpermanganat (KMnO4), Natriumnitrid (Na3N), Wasserstoffperoxid (H2O2) und Hydrazinhydrat (H6N2O) werden bei Himedia erworben. Ammoniak (99,98 %), Aceton (99,9 %), Xylol (99 %), Benzol (99,9 %), Graphit und Montmorillonit (MMT) (CAS-Nummer 1318-93-0) werden von Sigma Aldrich bezogen.

Graphenoxid (GO) wurde aus Graphitpulver (Sigma-Aldrich) unter Verwendung der modifizierten Hummers-Methode synthetisiert und durch Hydrazinhydrat weiter reduziert, um reduziertes Graphenoxid (rGO) zu bilden18,19,20. Das synthetisierte rGO wird mit einem Whatmann-Filter (125 Mikron) filtriert, mit entionisiertem (DI) Wasser und Methanol gewaschen und unter Vakuum getrocknet.

0,5 M Anilin werden zu 50 ml destilliertem Wasser gegeben und 30 Minuten lang gerührt. Zu der obigen Lösung werden 0,5 m H2SO4 gegeben und weitere 30 Minuten gerührt. Dem funktionalisierten MMT (0,5 g) werden 0,5 g rGO zugesetzt und beschallt. Eine vorgekühlte Lösung von 0,5 M APS wird tropfenweise zugegeben und für die Polymerisation (8 Stunden) unter 10 °C gehalten. Das fertige Nanokomposit wird mit dem Whatman-Filterpapier (125 μm) filtriert und mehrmals gewaschen. Abschließend wird der Verbundstoff mit 10 % Methanol gewaschen, um die im Verbundstoff vorhandene unreaktive Chemikalie zu entfernen. Das Polymer-Nanokomposit wird bei 60 °C getrocknet. Das PANI/MMT-Polymer-Nanokompositmaterial wird im oben genannten Verfahren ohne Zugabe von rGO21,22,23 hergestellt.

Das Röntgenbeugungsmuster (XRD) wird mit einem Rikagu-Diffraktometer (Modell Nr. Mini Flex 600) unter Verwendung von Cu-Kα1-Strahlung mit einer Wellenlänge von 1,5406 Å im kontinuierlichen Scanmodus bei einer Beschleunigungsspannung von 40 kV und einem Strom von 40 mA aufgezeichnet. Um die Bindungsnatur im Polymer-Nanokomposit zu untersuchen, werden Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR)-Spektren aufgezeichnet (Ferkin Elmer Modal Nr. 105627 FT-IR). Die Oberflächenmorphologie des flexiblen Nanokomposit-Sensorfilms wird mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) analysiert. Das Bild des Transmissionselektronenmikroskops (TEM) wurde mit einem TEM-Jeol-Mikroskop aufgenommen, das bei einer Beschleunigungsspannung von 120 keV arbeitet.

Auf der flexiblen transparenten Folie (25 mm × 0,5 mm) werden dünne Filme aus Polymer-Nanokomposit im Drop-Cast-Verfahren abgeschieden und bei 45 °C getrocknet. Silberpaste (Ag) wird zur Herstellung von Elektroden für elektrische Messungen verwendet. Die optischen Fotos der Sensorflexibilität sind in Abb. 1a, b dargestellt. Die Erfassungsaktivität des Sensors wird in einer einfachen selbstgebauten Gaskammer mit einem Nettovolumen von 1 l durchgeführt. In die Kammer werden unterschiedliche Konzentrationen von HCN-Gas eingebracht. Das schematische Diagramm der Gassensorbaugruppe ist in Abb. 1c dargestellt.

(a) Sensor (b) Darstellung der Flexibilität des Sensors, (c) Einrichtung des Gassensors.

Für den Nachweis von HCN-Gas wird die Chemiresistenz-Technik eingesetzt. Der dynamische Widerstand des Sensors wird gemessen, wenn der Sensor HCN mit einem LCR-Messgerät (Hioki 3232) ausgesetzt wird, das den Endwiderstand und ohne HCN den Anfangswiderstand anzeigt. Die Messkammer wird vor und nach den Messungen mit Stickstoffgas gespült.

Die gewünschten Gaskonzentrationen werden durch die statische Flüssigkeitsverteilungsmethode24,25 erzeugt.

Dabei ist C (ppm) die gewünschte Zielgaskonzentration, ρ (g/ml) die Dichte der Flüssigkeit (Gas), V′ das Flüssigkeitsvolumen (μL), T Temperatur in Kelvin, M Molekulargewicht der Flüssigkeit (g/mol) und V Volumen der Kammer (L). Mit einer Präzisionsspritze wird ein bestimmtes Volumen (μL) des Analyten in eine Kammer injiziert. Die Gaskammer wird vor und nach der Messung mit Stickstoffgas (1000 sccm) gespült. Die Sensorreaktion, R%, wird durch26 definiert.

Dabei ist Ri der Anfangswiderstand des Sensors und Rf der Endwiderstand nach der Einwirkung von HCN.

Die Empfindlichkeit (S) eines Sensors wird durch die Steigung des Diagramms zwischen der Sensorreaktion und der Konzentration des Zielgases definiert:

Hier sind ∆R und ∆C Änderungen der Sensorreaktion und der Gaskonzentration.

Das Diagramm der FTIR-Studien von GO, rGO, PANI, PANI-MMT und PANI/MMT-rGO ist in Abb. 2a,b dargestellt. Die Peaks der FTIR-Untersuchungen sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die charakteristischen Peaks bei 3398 cm−1, 1225 cm−1, 1054 cm−1, 1632 cm−1 entsprechen O–H, C–OH, C–O und C =C Streckschwingung des rGO20. Die charakteristischen Peaks bei 1112,12 cm−1 und 1088 cm−1 sind auf Biegeschwingungen der C-H-Ebene zurückzuführen. Die Peaks bei 1306,15 cm−1 sind auf den C=N-Streckmodus zurückzuführen, die Peaks bei 1486,20 cm−1 und 1483,31 cm−1 entsprechen der C=C-Streckung im Benzoloidring und 1576 cm−1 sind auf die C=C-Streckschwingung des Chinoids zurückzuführen in PANI23,26,27. Die charakteristischen Peaks bei 1126 cm-1 und 1042 cm-1 sind auf die Si-O-Streckung zurückzuführen, 917 cm-1 und 799 cm-1 sind auf die Al-OH-Streckung zurückzuführen und 525 cm-1 und 465 cm-1 sind auf zurückzuführen Si-O-Biegeschwingung des.

(a,b) FTIR von Polymerkomposit und rGO, (c,d) XRD-Muster von GO und Polymer-Nanokomposit.

MMT im Komposit28. Die einzelnen Peaks von rGO, PANI und MMT sind im PANI/MMT-rGO-Nanokomposit vorhanden.

Das XRD-Muster von rGO, PANI/MMT und PANI/MMT-rGO ist in Abb. 2c, d dargestellt. Der Peak bei 2θ = 11,24° entspricht der (001)-Ebene von GO mit einem Zwischenschichtabstand von 0,77 nm, der auf interlamellare Gruppen zurückzuführen ist, die zwischen hydrophilen Graphenoxidschichten eingeschlossen sind. Der Peak geringer Intensität bei 2θ = 43,27° mit der (100)-Ebene ist auf rGO zurückzuführen und bestätigt somit eine zufällige Packung von Graphenschichten in rGO29,30,31. Die Ebenen, die (001), (100), (005), (110) und (300) im PANI/MMT entsprechen, sind auf das MMT30,31,32 zurückzuführen. Die bei 15,5° im PANI/MMT-rGO-Komposit vorhandene Ebene (001) ist auf rGO zurückzuführen. Die einzelnen Peaks für rGO und MMT finden sich im PANI/MMT-rGO-Polymer-Nanokomposit.

Die TEM-Aufnahme des rGO zeigt die Bildung einer einschichtigen Blattstruktur, wie in Abb. 3a dargestellt. PANI weist röhrenförmige Strukturen auf, wie im REM der mikroskopischen Aufnahme in Abb. 3b zu sehen ist. Die durchschnittliche Länge und der Durchmesser des PANI betragen 250 nm bzw. 50 nm. Abbildung 3c,d zeigt die SEM-Aufnahme von PANI/MMT. Hier wird das PANI über der Oberfläche des MMT abgelagert. Dadurch wird die Oberfläche des PANI vergrößert. Abbildung 3e–g zeigen.

TEM-Bild von (a) rGO, SEM-Bilder von (b) HEAT, (c,d) HEAT/MMT und (e–g) HEAT/MMT-rGO.

Die REM-Aufnahmen von PANI/MMT-rGO in verschiedenen Auflösungen. Die REM-Aufnahme zeigt, dass sich das PANI über den rGO-Blättern einkapselt und sich auch über der Oberfläche von MMT ablagert.

Die Gassensorstudie wird an der selbstgebauten Kammer (1 L) durchgeführt. Für die Selektivität des Gases werden 2 ppm Konzentration verschiedener Gase wie Aceton, Ammoniak, Benzol, Cyanwasserstoff und Xylol in die Gaskammer mit dem PANI/MMT-Gassensor eingeleitet. Es wurde festgestellt, dass der Sensor gegenüber HCN aktiver ist und eine Erfassungsreaktion von 3,5 % im Vergleich zu den anderen Gasen aufweist, wie in Abb. 4a dargestellt. Ebenso ist der PANI/MMT-rGO-Sensor verschiedenen Gasen ausgesetzt. Hier haben wir herausgefunden, dass die Sensorreaktion des PANI/MMT-rGO gegenüber HCN 4,56 % im Vergleich zu anderen Gasen beträgt, wie in Abb. 4b dargestellt. Somit reagieren beide Sensoren gut auf das HCN-Gas.

(a) PANI/MMT- und (b) PANI/MMT-rGO-Reaktion auf verschiedene Gase bei 2 ppm.

Der allein aus PANI gefertigte Sensor weist bei Einwirkung einer HCN-Konzentration von 2 ppm eine Erfassungsreaktion von 0,045 % auf. Die Sensorreaktion (0,05 %) ist leicht erhöht, wenn die Konzentration des HCN-Gasdampfes 4 ppm beträgt, aber der Sensor ist nach 6 ppm gesättigt, wie in Abb. 5a dargestellt. Der Sensor (PANI) erholt sich nicht vollständig auf die ursprüngliche Grundlinie. Dies kann daran liegen, dass die HCN-Moleküle dauerhaft an die Polymerkette gebunden sind33.

Sensorreaktion auf unterschiedliche Konzentrationen von HCN-Gas durch (a) PANI, (b) PANI/MMT und (c) PANI/MMT-rGO.

Beide Sensoren aus PANI/MMT und PANI/MMT-rGO sind jeweils 2 ppm, 4 ppm, 6 ppm, 8 ppm und 10 ppm ausgesetzt. Die Erfassungsreaktion dieser Sensoren wird mithilfe von Gl. berechnet. (1) und in Tabelle 2 dargestellt. Die Erfassungsreaktion des Sensors beträgt 3,5 % (2 ppm) für PANI/MMT, was einen höheren Wert im Vergleich zum PANI allein (0,045 %) aufweist. Die Reaktion des Sensors nimmt mit steigender Gaskonzentration weiter zu, wie in Abb. 5b dargestellt. Dieser Anstieg der Sensorreaktion (PANI/MMT) im Vergleich zu PANI-Sensoren kann auf die Zunahme der vom MMT bereitgestellten Bindungsstellen zurückzuführen sein. Die Wahrnehmungsreaktion für PANI/MMT-rGO beträgt 4,56 % bei 2 ppm, was mehr ist als für PANI/MMT (3,5 %), wie in Abb. 5c dargestellt. Diese Erhöhung der Sensorreaktion ist auf die Vergrößerung der von rGO bereitgestellten Oberfläche zurückzuführen. Im Fall von Graphenoxid stehen alle Kohlenstoffatome an der Oberfläche der 2D-Folie zur Bindung mit dem freiliegenden Gas zur Verfügung. Sowohl die Sensoren PANI/MMT als auch PANI/MMT-rGO erholen sich vollständig auf die Basislinie. Die Reaktionszeit des Sensors ist definiert als die Zeit, die der Sensor benötigt, um 90 % der gesamten Sensorreaktion zu erreichen. Abbildung 6a,b zeigt die Reaktion und Erholung von PANI/MMT und PANI/MMT-rGO bei verschiedenen Konzentrationen. Die Studien zeigen, dass der PANI/MMT-rGO-Sensor (29,5 s) schneller reagierte als die Sensoren PANI (34,5 s) und PANI/MMT (30,5 s). Der Sensor erholte sich automatisch innerhalb von 21 s für PANI/MMT und 25 s für PANI/MMT-rGO. Sowohl der Sensor (PANI/MMT als auch PANI/MMT-rGO) reagiert und erholt sich in weniger als einer Minute. In beiden Diagrammen haben wir beobachtet, dass die Reaktionszeit des Sensors mit zunehmender Konzentration des HCN-Gases abnimmt, während die Erholungszeit mit zunehmender Konzentration zunimmt. Abbildung 7 zeigt das Diagramm der Reaktions- und Erholungszeit aller Sensoren (PANI, PANI/MMT und PANI/MMT-rGO), die einer HCN-Gaskonzentration von 2 ppm ausgesetzt waren.

(a) PANI/MMT und (b) PANI/MMT-rGO: Diagramm zwischen Reaktionszeit, Erholungszeit und Konzentration.

Vergleich der Reaktionszeit und Erholungszeit von Sensoren, wenn sie 2 ppm HCN-Gas ausgesetzt werden.

Das Diagramm der Wahrnehmungsreaktion gegenüber der Konzentration ist in Abb. 8a dargestellt. Aus der Grafik haben wir die Empfindlichkeit von PANI/MMT und PANI/MMT-rGO unter Verwendung der Gleichung berechnet. (3). Die Sensoren haben eine Empfindlichkeit von 0,89 ppm-1 für PANI/MMT bzw. 1,1174 ppm-1 für PANI/MMT-rGO. Tabelle 3 zeigt die vorliegende Arbeit mit den zuvor gemeldeten Arbeiten.

(a) Empfindlichkeit gegenüber Konzentration und (b) Empfindlichkeit gegenüber Anzahl der Testläufe.

Sowohl die Sensoren PANI/MMT als auch PANI/MMT-rGO werden 10 Monate lang getestet, indem sie wiederholt einer Konzentration von 2 ppm ausgesetzt werden, wie in Abb. 8b dargestellt. Die Wahrnehmungsreaktion des Sensors PANI/MMT bleibt bis zu 6 Monate lang konstant, danach beträgt die Wahrnehmungsreaktion jedoch 3,25 %. Ebenso ist der Sensor PANI/MMT-rGO bis zu 8 Monate stabil und danach beträgt die Wahrnehmungsreaktion 4,35 %. Daher haben unsere Sensoren eine Lebensdauer, die zwischen 6 und 8 Monaten variiert.

Diese Abnahme der Sensorreaktion beider Sensoren kann auf die Zersetzung des Sensormaterials und die dauerhafte Bindung der HCN-Moleküle an das Sensormaterial nach wiederholter Exposition zurückzuführen sein. Die FTIR-Untersuchungen der Sensormaterialien nach 6 und 8 Monaten zeigen einen kleinen Peak bei 1637 cm-1 sowohl in PANI/MMT- als auch in PANI/MMT-rGO-Proben, der in den unberührten PANI/MMT- und PANI/MMT-rGO-Proben nicht vorhanden ist dargestellt in Abb. 9a,b.

FTIR von (a) PANI/MMT und (b) PANI/MMT-rGO.

Die hergestellten Sensoren PANI, PANI/MMT und PANI/MMT-rGO werden HCN-Gas bei unterschiedlicher relativer Luftfeuchtigkeit (RH) ausgesetzt. Wir haben beobachtet, dass die Sensorreaktion (S%) des Sensors mit zunehmender relativer Luftfeuchtigkeit zunimmt, nach 40 % der relativen Luftfeuchtigkeit jedoch abnimmt. Abbildung 10 zeigt die Grafik zwischen den Sensorreaktionen mit der relativen Luftfeuchtigkeit, wenn sie einer HCN-Konzentration von 2 ppm ausgesetzt wird. Der Sensorwiderstand verändert sich durch die Anwesenheit von Feuchtigkeit. In der obigen Abbildung 10 haben wir eine Zunahme der Sensorreaktion mit zunehmender relativer Luftfeuchtigkeit beobachtet. Dies kann auf die Abnahme des elektrischen Widerstands des Sensormaterials zurückzuführen sein. Im Inneren des Sensormaterials sind die Poren, die zuvor mit trockener Luft gefüllt waren, nun mit einem Wassermolekül gefüllt. Aber ab einem RH%-Wert von 40 % nimmt die Sensorreaktion der Sensoren ab. Dies ist auf die Aufnahme von mehr Wasser durch die Sensormaterialien zurückzuführen, was zu einem Anstieg des Widerstands führt. Es erhöht auch die Trennung zwischen den Polymerketten und behindert so den Elektronensprungprozess. Ein ähnliches Phänomen wird auch von Cavallo et al.37 berichtet.

Sensorreaktionen auf HCN (2 ppm) ab unterschiedlichen RH-Werten.

Die Wechselwirkung zwischen PANI und HCN kann auf zwei verschiedene Arten erfolgen: (a) H- oder N-Stellen des HCN mit PANI oder (b) N- oder H-Stellen des PANI mit dem HCN. In der HCN-Verbindung fehlt dem H-Atom aufgrund der hohen Elektronegativität der -CN-Gruppe die Elektronenladung. Während der Wechselwirkung zwischen PANI und HCN wird die elektronische Ladung vom PANI auf das HCN-Gas übertragen. Dieser Elektronentransfer wird vom H-Atom des HCN-Gases vom N-Atom des PANI übernommen und bildet H-N-Bindungen38. Dadurch erhöht sich der Widerstand des Sensormaterials, wenn es dem HCN-Gasdampf ausgesetzt wird. HCN-Moleküle interagieren auch mit dem rGO. Durch die Wechselwirkung zwischen HCN und rGO erhöht sich auch der elektrische Widerstand der Sensoren. Dieser Anstieg des elektrischen Widerstands wird auf die elektronenspendende Eigenschaft von HCN zurückgeführt. Wenn HCN in die Nähe des rGO kommt, erhöht es die Lochladung darauf und zeigt die Halbleiternatur vom p-Typ. Der im rGO vorhandene Sauerstoff bindet an den in den HCN-Molekülen vorhandenen Wasserstoff35,39.

Das Polymer-Nanokomposit wird mit FTIR, XRD, TEM und SEM synthetisiert und charakterisiert. Die TEM-Aufnahme des Graphens zeigt die Bildung von Schichtstrukturen. Die REM-Aufnahme von PANI zeigt die Bildung einer Nanoröhre mit einem Durchmesser von 50 nm und einer Länge von 250 nm. Das PANI wird auf der gesamten Oberfläche des MMT abgelagert. Im Fall des PANI/MMT-rGO hat der rGO PANI/MMT gekapselt. Die Peaks des XRD-Musters bestätigen das Vorhandensein von MMT und rGO im Polymerverbund. Der Sensor wird den verschiedenen Gasen Aceton, Ammoniak, Benzol, Blausäure und Xylol ausgesetzt. Das Sensormaterial kann HCN-Gas erkennen und liefert die höchste Sensorreaktion. Das Sensormaterial PANI allein weist eine geringe Sensorreaktion von 0,05 % auf. Die Erfassungsreaktion des Erfassungsmaterials nimmt zu, wenn MMT und rGO zum PANI hinzugefügt werden. PANI/MMT und PANI/MMT-rGo haben eine Empfindlichkeit von 0,89 ppm-1 bzw. 1,1174 ppm-1. Bei beiden Sensoren haben wir beobachtet, dass die Sensorreaktion mit zunehmender Konzentration des exponierten Gases zunimmt. Die Sensoren erholten sich automatisch innerhalb von 21 s (PANI/MMT) bzw. 25 s (PANI/MMT-rGO). Die Leistung des Sensors nimmt nach 6 Monaten und 8 Monaten ab.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Patnaik, P. A Comprehensive Guide to the Hazardous Properties of Chemical Substance, Dritte Auflage, Cyanides, Inorganic 317–335 (Wiley, 2006).

Buchen Sie Google Scholar

Ballantyne, BC & Hall, AH Cyanide: Chemische Kampfstoffe und potenzielle terroristische Bedrohungen 495–542 (Wiley, 2007).

Buchen Sie Google Scholar

Chaturvedi, AK, Sanders, DC, Endecott, BR & Ritter, RM Exposition gegenüber Kohlenmonoxid, Cyanwasserstoff und deren Mischungen: Wechselbeziehung zwischen Gasexpositionskonzentration, Zeit bis zur Handlungsunfähigkeit, Carboxyhämoglobin und Blutcyanid bei Ratten. J. Appl. Toxicol. 15, 357–363 (1995).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Porter, TL et al. Eine Festkörper-Sensorplattform zur Erkennung von Cyanwasserstoffgas. Sens. Actuators B 123(1), 313–317 (2007).

Artikel CAS Google Scholar

Pandey, S., Goswami, GK & Nanda, KK Flexibler, ultraempfindlicher Widerstandsgassensor auf Nanokompositbasis für Studien zu chemischen Reaktionen. Wissenschaft. Rep. 3(1), 1–6 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, D. et al. Einfache Herstellung eines leistungsstarken QCM-Feuchtigkeitssensors auf Basis eines schichtweise selbstorganisierten Polyanilin/Graphenoxid-Nanokompositfilms. Sens. Actuators B 255, 1869–1877 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Liu, Y. et al. Hochpermeable WO3/CuWO4-Heterostruktur mit hierarchischer poröser 3D-Struktur für einen hochempfindlichen, mit sichtbarem Licht betriebenen Gassensor bei Raumtemperatur. Sens. Aktuatoren B 365, 131926 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, X. et al. In situ polymerisiertes Polyanilin/MXen (V2C) als Bausteine des Superkondensators und des Ammoniaksensors, der durch einen elektromagnetisch-triboelektrischen Hybridgenerator selbst angetrieben wird. Nano Energy 88, 106242 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, D., Tong, J. & Xia, B. Feuchtigkeitsempfindliche Eigenschaften eines chemisch reduzierten Graphenoxid/Polymer-Nanokompositfilmsensors basierend auf schichtweiser Nano-Selbstorganisation. Sens. Actuators B 197, 66–72 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, D., Wu, W. & Zong, Sens. Actuators B 288, 232–242 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Fratoddi, I., Venditti, I., Cametti, C. & Russo, MV Chemiresistive Gassensoren auf Polyanilinbasis: Eine kleine Übersicht. Sens. Actuators B 220, 534–548 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Su, SJ & Kuramoto, N. Verarbeitbare Polyanilin-Titandioxid-Nanokomposite: Einfluss von Titandioxid auf die Leitfähigkeit. Synth. Getroffen. 114(2), 147–153 (2000).

Artikel CAS Google Scholar

Sui, Mater. Lette. 58(7–8), 1255–1259 (2004).

Artikel CAS Google Scholar

Houdayer, A., Schneider, R., Billaud, D., Ghanbaja, J. & Lambert, J. Neue Polyanilin/Ni(0)-Nanokomposite: Synthese, Charakterisierung und Bewertung ihrer katalytischen Aktivität in Heck-Kupplungen. Synth. Getroffen. 151(2), 165–174 (2005).

Artikel CAS Google Scholar

Yang, M., He, J., Hu, X., Yan, C. & Cheng, Z. CuO-Nanostrukturen als Quarzkristall-Mikrowaagen-Sensorschichten zum Nachweis von Spuren von Cyanwasserstoffgas. Umgebung. Wissenschaft. Technol. 45(14), 6088–6094 (2011).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Yang, M. et al. Kupferoxid-Nanopartikel-Sensoren zur Cyanwasserstoff-Detektion: Beispiellose Selektivität und Empfindlichkeit. Sens. Actuators B 155(2), 692–698 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Hummers, WS Jr. & Offeman, RE Herstellung von Graphitoxid. Marmelade. Chem. Soc. 80(6), 1339–1339 (1958).

Artikel CAS Google Scholar

Tiwari, DC, Atri, P. & Sharma, R. Empfindlicher Nachweis von Ammoniak durch reduzierte Graphenoxid/Polypyrrol-Nanokomposite. Synth. Getroffen. 203, 228–234 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Atri, P., Tiwari, DC & Sharma, R. Synthese von reduzierten Graphenoxid-Nanorollen, eingebettet in eine Polypyrrolmatrix für Superkondensatoranwendungen. Synth. Getroffen. 227, 21–28 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Dipak, P., Tiwari, DC, Dwivedi, SK, Shami, TC & Dwivedi, PK Synthese und Charakterisierung eines Polymer-Nanokomposits aus PANI/TiO2 (np)-Fe+3 für Mikrowellenanwendungen. J. Mater. Wissenschaft. 29(8), 6439–6464 (2018).

CAS Google Scholar

Pande, S. et al. Synthese, Charakterisierung und Studien des PANI-MMT-Nanokomposits. Nanowissenschaften. Nanotechnologie. 2(4), 90–98 (2012).

Artikel Google Scholar

Kalaivasan, N. & Shafi, SS Verbesserung der Korrosionsschutzwirkung in mechanochemisch synthetisierten Polyanilin/MMT-Ton-Nanokompositen. Araber. J. Chem. 10, S127–S133 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Vuong, NM, Kim, D. & Kim, H. Poröse, in Au eingebettete WO3-Nanodrahtstruktur für den effizienten Nachweis von CH4 und H2S. Wissenschaft. Rep. 5, 11040 (2015).

Artikel ADS PubMed Google Scholar

Wang, X. et al. Funktionalisierte nanoporöse TiO2-Fasern auf einer Quarzkristall-Mikrowaagenplattform für Formaldehydsensor. Sens. Actuators B 171, 658–665 (2012).

Artikel Google Scholar

Li, X., Chang, Y. & Long, Y. Einfluss der Sn-Dotierung auf die ZnO-Sensoreigenschaften für Ethanol und Aceton. Mater. Wissenschaft. Ing. C 32(4), 817–821 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Mir, MA et al. Herstellung von Polyanilin/Zeolith-Verbundwerkstoffen und ihre Reaktion auf Stickstoffdioxid. Mikroporöses mesoporöses Material. 233, 53–61 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Patil, UV et al. Raumtemperatur-Ammoniaksensor basierend auf mit Kupfernanopartikeln interkalierten Polyanilin-Nanokomposit-Dünnfilmen. Appl. Surfen. Wissenschaft. 339, 69–74 (2015).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Varadwaj, GBB, Rana, S., Parida, K. & Nayak, BB Ein multifunktionalisierter Montmorillonit für die kooperative Katalyse in der Eintopf-Henry-Reaktion und zur Sanierung von Wasserverschmutzung. J. Mater. Chem. A 2(20), 7526–7534 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Madurai, SL, Joseph, SW, Mandal, AB, Tsibouklis, J. & Reddy, BS Darmspezifische, orale Verabreichung von Captopril/Montmorillonit: Formulierung und Freisetzungskinetik. Nanoskalige Res. Lette. 6(1), 1–8 (2011).

Google Scholar

Park, S. et al. Kolloidale Suspensionen von stark reduziertem Graphenoxid in einer Vielzahl organischer Lösungsmittel. Nano Lett. 9(4), 1593–1597 (2009).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Dikin, DA et al. Herstellung und Charakterisierung von Graphenoxidpapier. Nature 448(7152), 457–460 (2007).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Tiwari, DC, Dwivedi, SK, Dipak, P. & Chandel, T. PEDOT: PSS: rGO-Nanokomposit als Lochtransportschicht (HTLs) für P3HT: PCBM-basierte organische Solarzellen. In AIP Conference Proceedings, Bd. 1953, Nr. 1 100065 (AIP Publishing LLC, 2018).

Singh, VV et al. Nachweis des chemischen Kampfstoffs Nitrogen Mustard-1 basierend auf einer leitfähigen Polymer-Phthalocyanin-Nanostab-modifizierten Elektrode. Synth. Getroffen. 159, 19–20 (2009).

Artikel Google Scholar

Greenawald, LA et al. Entwicklung eines Cobinamid-basierten End-of-Life-Indikators zur Erkennung von Blausäuregas. Sens. Actuators B 221, 379–385 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Taher, A., Mahrokh, S., Younes, H. & Sang, WJ Ein neuer Cyanwasserstoff-Chemiresistor-Gassensor basierend auf Graphen-Quantenpunkten. Int. J. Umgebung. Anal. Chem. https://doi.org/10.1080/03067319.2016.1196680 (2016).

Artikel Google Scholar

Lu, YS et al. Fernerkennung von HCN-, HF- und Nervengiftdämpfen basierend auf selbstreferenzierenden, farbstoffimprägnierten porösen photonischen Siliziumkristallen. ACS Sens. https://doi.org/10.1021/acssensors.0c01931 (2020).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Cavallo, P. et al. Verständnis des Sensormechanismus von Polyanilin-Widerstandssensoren. Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf die Erkennung organischer flüchtiger Stoffe. Sens. Actuators B 210, 574–580 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Hirooka, M. & Doi, T. Strukturelle Regulierung leitfähiger Polymere und Wirkung von Dotierstoffen. Synth. Getroffen. 17(1–3), 209–214 (1987).

Artikel CAS Google Scholar

Zhao, M., Yang, F., Xue, Y., Xiao, D. & Guo, Y. Adsorption von HCN an reduzierten Graphenoxiden: Eine First-Principles-Studie. J. Mol. Modell 20, 2214. https://doi.org/10.1007/s00894-014-2214-8 (2014).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Referenzen herunterladen

Die Autoren danken der School of Studies in Physics der Jiwaji University, Gwalior für die Bereitstellung der experimentellen Einrichtungen. Die Autoren danken dem Central Instrumentation Facility Laboratory (CIFL) der Jiwaji University, Gwalior für TEM-, XRD- und FTIR-Studien und dem IIT, Roorkee für die SEM-Analyse.

School of Studies in Physics, Jiwaji University, Gwalior, Indien

Aparna Singh, Pukhrambam Dipak, Asif Iqbal, Anuradha Samadhiya, Shailendra Kumar Dwivedi, Dinesh Chandra Tiwari und Rajendra Kumar Tiwari

Vikrant-Universität, Gwalior, Indien

Aparna Singh

Fachbereich Physik, School of Sciences, ITM University, Gwalior, Indien

Pukhrambam Dipak

Abteilung für angewandte Wissenschaft und Geisteswissenschaften, IPS Group of Colleges, Gwalior, Indien

Shailendra Kumar Dwivedi

DMSRDE, Kanpur, Indien

Kailash Nath Pandey

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

PD-Herstellung des Sensors, Analyse der Daten, Verfassen von Papieren und Projektverwaltung. AS und AI halfen bei der Synthese der Sensormaterialien. AS-Synthese des erforderlichen HCN. SKD-Analyse der Daten. DCT-Entwurf des Experiments und Projektverwaltung. RKT- und KNP-Überprüfung & Bearbeitung.

Korrespondenz mit Pukhrambam Dipak oder Dinesh Chandra Tiwari.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die Originalautor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Singh, A., Dipak, P., Iqbal, A. et al. Schnelle Reaktion und Erholung: Polyanilin-Montmorillonit reduziert Graphenoxid-Polymer-Nanokompositmaterial zur Erkennung von Cyanwasserstoffgas. Sci Rep 13, 8074 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32151-0

Zitat herunterladen

Eingegangen: 30. November 2022

Angenommen: 23. März 2023

Veröffentlicht: 18. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32151-0

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.

Blog

Schnelle Reaktion und Erholung: Polyanilin-Montmorillonit reduziert Graphenoxid-Polymer-Nanokompositmaterial zur Erkennung von Cyanwasserstoffgas