بخشی از مقاله
چکیده
همواره موضوع تشخیص گاز بویژه گازي پرکاربرد و خطرناك نظیر متان بدلیل حفظ ایمنی از مباحث مورد بررسی بوده است. اخیرا استفاده از پلیمرهاي هادي در ساخت ادوات حسگري گاز رو به افزایش است. در بین پلیمرهاي هادي، پلیآنیلین بدلیل هدایت الکتریکی بالا، مساحت سطح زیاد و فرایند ساخت راحت گزینه مورد بررسی در این پژوهش است.
علاوه بر آن، بدلیل اینکه گرافن داراي ویژگیهاي منحصربهفردي است، پلیمر هادي موردنظر با این ماده آلایش شده است. در تحقیقات انجامشده مشاهده شد که ترکیب پلیآنیلین و گرافن در لایه فعال حسگر میتواند حساسیت و انتخابپذیري بالا و پاسخ سریع را نسبت به گاز متان فراهم آورد.
همچنین با بررسی درصدهاي متفاوت وزنی گرافن در پلیآنیلین، مشاهده شد که بهترین حساسیت در 50 درصد وزنی گرافن اتفاق میافتد. درنهایت اثر گرافن کاهش یافته را به جاي گرافن در حسگر بررسی کردیم . حسگرهاي ساخته شده با تغییرات مقاومت به آشکارسازي گاز میپردازند. از نکات قابل توجه این حسگرها، قابلیت عملکردشان در دماي اتاق است.
-1 مقدمه
در چند دههي اخیر بدلیل معایب زیست محیطی ناشی از نفت و زغالسنگ، استفاده از گاز طبیعی بویژه گاز متان بعنوان سوخت پاك جایگزین براي تأمین انرژي، بسیار رو به رشد بوده است بطوریکه از آن بطور گسترده در صنعت، وسایل حرارتی و گرمایشی لوازم خانگی و سوخت موتور استفاده میشود.
هرچند گاز طبیعی با محیط زیست سازگار است اما در صورت نشت، می تواند یک تهدید بسیار جدي به شمار رود. این گاز میتواند جایگزین اکسیژن هوا شده و منجر به خفگی شود. علاوه بر این، در صورت ایجاد جرقه، میتواند باعث بروز انفجار شود. بنابراین، تشخیص گازها در سال هاي اخیر به ویژه در زمینههاي ایمنی در صنعت و خانهها و مسائل حیطه محیط زیست، بسیار مورد توجه قرار گرفته است.[
تکنیک هاي تشخیص گاز که تا سال 1995 از آنها استفاده میشد، تکنیکهاي معمولی بودند که مشکل اساسی آنها پاسخ زمانی بالا براي تشخیص گاز بود. درنتیجه براي رفع این مشکل نیاز به ابزاري با پاسخ زمانی پایین حس میشد. علاوهبر آن به ویژگیهایی از قبیل حساسیت بالا نیز نیاز بود.
پژوهشگران در دهه 1950 دریافتند که تغییر در ترکیب گازهاي اطراف نیمههادي میتواند در هدایت الکتریکی آنها تأثیر بگذارد. به دنبال آن نیمههاديهاي مختلف براي آشکارسازي گاز پیشنهاد شد اما به دلیل مشکل اندازهگیري حساسیت در حسگرهاي ساخته شده با این نیمههاديها، دانشمندان به این نتیجه رسیدند که دماي کار حسگر را بالا برده و در دمایی بالاتر از دماي اتاق، شرایط کار را براي حسگر فراهم آورند. با بالا بردن دماي سطح حسگرهاي گازي، حساسیت الکتریکی آنها نسبت به گازهاي مختلف افزایش پیدا کرد ولی به دنبال آن باز مشکلات دیگري پیدا شد که کارکرد حسگرها را مختل مینمود.
از جمله مهمترین این مشکلات، اکسید شدن سطح نیمههادي بود. با بروز این مشکلات نیمه هاديهاي دیگري شناسایی شدند که نیمه هاديهاي اکسیدي در اولویت قرار گرفتند و همچنان از آنها استفاده میشود.
سنسورهاي بر پایه اکسید فلزي باوجود اینکه داراي مزیتهاي زیادي هستند اما براي آنها نیاز به دماي بالاي کاري، یک عیب عمده به شمار میرود زیرا منجر به اکسیداسیون آنالیتها میشود.
به همین منظور توجه محققان به سمت استفاده از مواد ارگانیک بعنوان لایه حسگري این سنسورها جلب شد که این سنسورها علاوه بر حساسیت بالا و زمان پاسخ مناسب، در دماي اتاق عمل میکنند.
اخیرا در بین مواد ارگانیک استفاده از پلیمرهاي هادي به دلیل راحتی فرایند ساخت آنها، بسیار مورد توجه قرار گرفته است که در بین پلیمرهاي هادي، پلیآنیلین به دلیل سنتز آسان، هدایت الکتریکی بالا، پایداري خوب حرارتی و شیمیایی و محیطی، مادهاي نویدبخش براي کاربردهاي الکتریکی است. پلیآنیلین ویژگیهاي جالبی را براي استفاده در حسگرها نشان میدهد. این ماده داراي مساحت سطح زیاد است که حساسیت بالا و پاسخ سریع را فراهم میکند. به همین دلیل در این پژوهش براي حسگري گاز متان از پلیآنیلین استفاده شده است. همچنین افزودن بخش دومی به پلیمرهاي هادي میتواند کاربرد آنها را به عنوان حسگر گاز افزایش دهد.
اخیرا ترکیبات پلیمر هادي با گرافن توجهات زیادي را به خود معطوف کردهاند .مزایاي استفاده از ترکیبات پلیمر هادي و گرافن به عنوان ماده حساس می تواند به جهت افزایش حساسیت، افزایش مساحت سطح، تعداد بیشتر مکانهاي تشخیص آنالیت، مقاومت کم و بهبود پایداري محیطی بیان شود.
-2 بخش تجربی
-1-2سنتز
پلیآنیلین میتواند شکلهاي مختلفی داشته باشدکه قابل تبدیل به یکدیگرند ولی تنها حالتی از آن هادي است که به صورت نیمهاکسیدشده و نیمهاحیاشده میباشد که در شکل1 نشان داده شده و براي سنتز آن از روش زیر استفاده شده است:
ابتدا مونومر آنیلین را در هیدروکلریکاسید رقیق شده - یک مولار - حل میکنیم که این محلول شماره 1 ماست. از طرفی هم عامل اکسیدکننده آمونیومپرسولفات - - APS را در هیدروکلریکاسید یک مولار حل میکنیم که این محلول شماره 2 ماست. در واقع هیدروکلریکاسید هم به عنوان محیط و هم به عنوان عامل آلایشکننده استفاده شده است. در نهایت محلول 2 را به 1 اضافه میکنیم. آنچه حاصل میشود محلول پایدار آبی اسیدي سبز رنگ خواهد بود که رنگ سبز آن به دلیل حضور هیدروکلریکاسید میباشد. پلیآنیلین حاصل، به صورت نیمهاکسیدشده و نیمه احیاشده که هادي است، میباشد.
شکل :1 پلیآنیلین نیمه اکسیدشده و نیمه احیاشده[4]
در مورد گرافن فرآیند ساخت آن اینگونه است که گرافیت در حضور اسیدها و اکسیدکنندههاي قوي مطابق شکل2 اکسید میشود. ازآنجا که اکسید گرافیت، داراي ساختاري لایهاي از جنس ورقههاي اکسید گرافن است بنابراین با استفاده از امواج ماورايصوت میتوان این ماده را کاملا لایهلایه کرد. حضور واحدهاي داراي بار منفی گروههاي عاملی شامل اکسیژن - -COOH, -OH, -O- - موجب میشود که رانش الکترواستاتیکی، صفحات کربنی را جدا از هم نگه دارد و از تجمع ورقهها در محلول جلوگیري کند.
شکل:2 فرآیند ساخت اکسید گرافن
براي برگرداندن ویژگیهاي گرافن، اکثر این گروهها از طریق احیاکردن جدا میشوند. گرافن از طریق هیدرازین مطابق شکل3 در 100 درجهسانتیگراد براي 4 ساعت احیا شد و از اکسیدگرافن به دست آمد. این ماده میتواند در آب با نسبت 2 میلیگرم بر میلیلیتر به صورت محلول درآید. ماده حاصل داراي یکسري نقص میباشد، به این معنا که گروههاي عاملی را نمیتوان به طور کامل جدا کرد و همین امر آن را براي حسگري مناسب میکند.
شکل:3 ساختار شیمیایی گرافن تولید شده از گرافیت
