G923109六页稿-东海大学化学工程与材料工程学系.DOC

PAGE PAGE 2 電阻式丙酮氣體感測器之導電高分子電極製備與感測性質 王世宏 杜景順* 東海大學化學工程學系電化學實驗室 摘要 本研究以導電高分子聚吡咯與聚苯胺為感測之活性物，分別以化學氧化-澆鑄法、化學氣相沈積法以及含浸氧化法，將導電高分子製備於Au(interdigiation electrode, I.E.)/ Al2O3或Au(四極式) / Al2O3上，以此為感測電極探討製備所得電極材料之特性及其丙酮感測性質，改變的變因包括感測溫度、量測時施加之電流值、摻雜陰離子種類與濃度；在丙酮感測器方面的探討包括有靈敏度、選擇性分析與老化。 前言 丙酮氣體感測器可應用於勞工安全及工廠火災防爆或者醫學上糖尿病之呼氣檢測；在勞工安全方面，丙酮八小時日時量平均容許濃度為750 ppm；工廠火災及爆炸防護上，當空氣中丙酮濃度介於爆炸下限與上限間(2.6 % ~ 12.8 %)，則容易發生火災；至於在糖尿病患者其呼氣中丙酮氣體濃度約為50 ~ 400 ppm[1]。目前，單一針對丙酮氣體為感測物之感測器文獻並不多，大多都是針對多種有機揮發氣體來做探討，尚缺乏一精準量測丙酮濃度且對丙酮選擇性良好之感測器。 導電高分子擁有特殊的電子組態，且可藉由摻雜、去摻雜效應可改變原有的電子結構與導電性質。因此，其應用範疇非常廣泛，如顯示器及變色玻璃、電磁波遮蔽、導電及靜電防止材料、二次電池、電解電容器之固態電解質以及感測器之應用等。以導電高分子為感測活性物之電阻式感測器，其優點有合成方法容易、單體價格低廉、感測濃度範圍寬廣、可於室溫下操作；缺點則為機械性質不佳、應答與回復時間較長且有選擇性問題。 本研究將發展建立一電阻式常溫丙酮感測器，作為研究目的，應用於糖尿病患者呼吸中丙酮氣體濃度之濃度為目標，吾人將以導電高分子為感測之活性物，利用不同之材料及不同之製備方式，嘗試找出最佳之電極感測條件，以符合所需。 研究程序 結果與討論 1. 丙酮氣體在不同導電高分子上之感測特性 圖1為化學氧化-澆鑄法製備PPy / Au(I.E) / Al2O3以及PANi-PMMA / Au(I.E.) / Al2O3感測電極，將其置於氣相感測系統中，進行丙酮氣體的感測，在總體積流速為100 ml min-1下，改變丙酮濃度所得之感測曲線，其中回應 圖1 丙酮氣體在不同導電高分子 /Au(I.E.) / Al2O3感測電極之應答曲線 (a) PPy , (b) PANi-PMMA 值電阻變化率百分比定義為S = (R0-Ra)/R0×100%，其中Ra與R0分別表示在感測丙酮氣體中的電阻值與在背景氣體中的電阻值。將圖1中所得之應答訊號對丙酮濃度作圖得圖2，圖中所得直線的斜率即為其感測靈敏度，比較圖中兩者之靈敏度，發現以PANi-PMMA感測活性物之感測電極擁有較高之靈敏度，顯示丙酮在PANi膜上之感測特性較佳。 2. 不同量測電極線路上之應答曲線 上述中以梳狀電極為量測電極，由圖1應答曲線可發現隨著感測次數的增加，背景訊號有飄移之現象，由於量測的過程中不斷的施予導電高分子膜固定值之直流電，而可能造成導電高分子膜極化現象，造成感測過程中背景 圖2丙酮氣體在不同導電高分子 /Au(I.E.) / Al2O3感測電極上，電阻變化率百分比與丙酮濃度之關係 圖3 以不同量測電極，在PANi-PMMA /Au / Al2O3感測電極上之電阻變化率百分比與丙酮濃度之關係 訊號飄移，因此改採用四極式電極為量測電極；同樣以化學氧化-澆鑄法製備PANi-PMMA於兩種量測電極上，圖3則為其應答訊號與丙酮濃度間之關係，比較兩者之靈敏度差距並不大。 3.以含浸氧化法製備之PANi / Au(I.E.) / Al2O3感測電極 前述中利用化學氧化法製備所得之聚苯胺粉末，混合黏著劑(PMMA)，以NMP為溶劑，再利用澆鑄法將聚苯胺製備於Au / Al2O3上，由於聚苯胺於NMP溶劑中之溶解度不大，造成其分散性不佳，且陶瓷基板屬於親水性基材，造成聚苯胺以澆鑄方式製備於基材上時，不容易在Au / Al2O3上獲得均勻分佈之聚 圖4 以PANi(含浸氧化法) / Au(I.E.) / Al2O3為感測電極之丙酮氣體應答曲線 苯胺膜，使得此種方式所製備之聚苯胺膜連續性不佳，且膜的厚薄不均，經厚度測量儀(thickness gauge)測量澆鑄前後感測電極之厚度差，估計PANi-PMMA複合膜之膜厚約為60 μm。因此，在本小節中，吾人嘗試使用含浸氧化法，將聚苯胺直接聚合至Au(I.E.) / Al2O3上，希望可以獲得較薄且較均勻之聚苯胺膜，藉此增加丙酮氣體在聚苯胺膜上之感測特性。圖4為以含浸氧化法製備所得之PANi / Au(I.E.) / Al2O3感測電極之應答曲線，由圖中觀察可發現其