Газочувствительные сенсоры на основе полианилина для мониторинга CO, CH4 и NO2 при комнатной температуре
DOI:
https://doi.org/10.18321/cpc23(2)107-121Ключевые слова:
газочувствительные сенсоры, полианилин, мониторинг газов, диоксид азота (NO₂), оксид углерода (CO), метан (CH₄)Аннотация
Настоящая работа посвящена 60-летию профессора Лесбаева Бахытжана Тастановича – ведущего специалиста в области горения, наноматериалов и функциональных углеродных систем, внесшего весомый вклад в развитие междисциплинарных исследований на стыке нанотехнологий, энергетики и экологии. В условиях стремительного индустриального роста и увеличения объемов использования углеводородного топлива возрастает актуальность разработки эффективных сенсорных материалов для мониторинга токсичных газов, выделяющихся в процессе неполного сгорания. К числу наиболее опасных продуктов неполного сгорания углеводородного топлива относятся оксид углерода (CO), метан (CH4) и диоксид азота (NO2). Эти соединения обладают высокой токсичностью: оксид углерода вызывает гипоксию, метан способствует усилению парникового эффекта, а диоксид азота раздражает дыхательные пути и участвует в образовании фотохимического смога. Кроме того, они способствуют формированию вторичных загрязнителей, включая озон и мелкодисперсные аэрозоли. В данной работе исследован потенциал полимеризованного полианилина (ПАНи) как газочувствительного материала, способного к селективному обнаружению указанных газов при комнатной температуре. Представлены экспериментальные данные, полученные при воздействии восстановительных и окислительных газов на чувствительный слой ПАНи, синтезированного методом химической окислительной полимеризации. Проведен анализ механизмов взаимодействия, включая допирование, перенос заряда и влияние морфологических параметров на отклик. Определены ключевые факторы, влияющие на чувствительность, селективность, воспроизводимость и стабильность работы сенсора. Полученные данные подтверждают высокую эффективность полианилина как активного сенсорного материала и обосновывают его применение в составе гибких, энергоэффективных сенсорных платформ, ориентированных на экологический мониторинг и оптимизацию процессов горения с минимизацией вредных выбросов.
Библиографические ссылки
(1) A. Kobald, U. Weimar, N. Barsan, Towards Understanding Temperature Modulated Smox Gas Sensor Arrays for Outdoor Air Quality Applications, Sensors and Actuators B: Chemical 440 (2025) 137879. Crossref
(2) K. Kohse-Höinghaus, Combustion, chemistry, and carbon neutrality, Chem. Rev. 123 (2023) 5139–5219. Crossref
(3) S. Dhall, B.R. Mehta, A.K. Tyagi, K. Sood, A review on environmental gas sensors: Materials and technologies, Sens. Int. 2 (2021) 100116. Crossref
(4) В.Я. Штерн, Механизм окисления углеводородов в газовой фазе, М., Изд-во АН СССР, 1960, 302 с.
(5) H. Böhm, D. Hesse, H. Jander, B. Lüers, J. Pietscher, H.G.G. Wagner, M. Weiss, The influence of pressure and temperature on soot formation in premixed flames, Symp. (Int.) Combust. 22 (1989) 403–411. Crossref
(6) М. Nazhipkyzy, Z. Mansurov, Super hydrophobic materials and coatings: overview, Combust. Plasma Chem. 18 (2020) 163–189. Crossref
(7) Z.A. Mansurov, N.G. Prikhodko, A.V. Savelev, Obrazovanie PTSU, fullerene, uglerodnykh nanotrubok i sazi v protsessakh goreniya, Алматы, КазНУ, 2012, 383 с.
(8) Z.A. Mansurov, Obtaining nanomaterials in combustion processes, Combust. Explos. Shock Waves 48 (2012) 561–569. Crossref
(9) Z.A. Mansurov, N.G. Prikhodko, M. Auyelkhankyzy, B.T. Lesbayev, M. Nazhipkyzy, Synthesis of single and few layer graphenes in flames, Proceeding of the European Combustion, 2015.
(10) Z.A. Mansurov, Soot formation, Almaty, Kazak University, 2015, 167 p.
(11) Q. Wu, Z. Ding, W. Zhang, Research progress on electrochemical gas sensors for fire detection, Int. J. Electrochem. Sci. (2025) 101043. Crossref
(12) P. Chesler, C. Hornoiu, MOX-based resistive gas sensors with different types of sensitive materials (powders, pellets, films), used in environmental chemistry, Chemosensors 11 (2023) 95. Crossref
(13) X. Liu, W. Zheng, R. Kumar, M. Kumar, J. Zhang, Conducting polymer-based nanostructures for gas sensors, Coord. Chem. Rev. 462 (2022) 214517. Crossref
(14) M.A. Farea, H.Y. Mohammed, S.M. Shirsat, P.W. Sayyad, N.N. Ingle, T. Al-Gahouari, M.D. Shirsat, Hazardous gases sensors based on conducting polymer composites, Chem. Phys. Lett. 776 (2021) 138703. Crossref
(15) C.S. Park, D.Y. Kim, E.Y. Jung, H.J. Jang, G.T. Bae, J.Y. Kim, H.S. Tae, Ultrafast room temperature synthesis of porous polythiophene via atmospheric pressure plasma polymerization technique and its application to NO₂ gas sensors, Polymers 13 (2021) 1783. Crossref
(16) H. Sustkova, J. Voves, Modeling a multiple-chain emeraldine gas sensor for NH₃ and NO₂ detection, Beilstein J. Nanotechnol. 13 (2022) 721–729. Crossref
(17) J. Kroutil, A. Laposa, V. Povolny, L. Klimsa, M. Husak, Gas sensor with different morphology of PANI layer, Sensors 23 (2023) 1106. Crossref
(18) C.H. Srinivas, D. Srinivasu, B. Kavitha, N. Narsimlu, K.S. Kumar, Synthesis and characterization of nano size conducting polyaniline, IOSR J. Appl. Phys. 1 (2012) 12–15. Crossref
(19) J. Kroutil, A. Laposa, A. Ahmad, J. Voves, V. Povolny, L. Klimsa, M. Husak, A chemiresistive sensor array based on polyaniline nanocomposites and machine learning classification, Beilstein J. Nanotechnol. 13 (2022) 411–423. Crossref
(20) M. Kumar, S. Sharma, R. Pal, B. Vidhani, A novel gas sensor based on activated charcoal and polyaniline composites for selective sensing of methanol vapors, Sens. Actuators A Phys. 353 (2023) 114210. Crossref
(21) S. Abdulla, T.L. Mathew, B. Pullithadathil, Highly sensitive, room temperature gas sensor based on polyaniline-multiwalled carbon nanotubes (PANI/MWCNTs) nanocomposite for trace-level ammonia detection, Sens. Actuators B Chem. 221 (2015) 1523–1534. Crossref
(22) S. Navazani, A. Shokuhfar, M. Hassanisadi, A. Di Carlo, N. Shahcheraghi, Fabrication and characterization of a sensitive, room temperature methane sensor based on SnO₂@reduced graphene oxide-polyaniline ternary nanohybrid, Mater. Sci. Semicond. Process. 88 (2018) 139–147. Crossref
(23) R. Kashyap, R. Kumar, M. Kumar, S. Tyagi, D. Kumar, Polyaniline nanofibers based gas sensor for detection of volatile organic compounds at room temperature, Mater. Res. Express 6 (2019) 1150d3. Crossref
(24) G. Gaikwad, P. Patil, D. Patil, J. Naik, Synthesis and evaluation of gas sensing properties of PANI based graphene oxide nanocomposites, Mater. Sci. Eng. B 218 (2017) 14–22. Crossref
(25) X. Tian, X. Cui, Y. Xiao, T. Chen, X. Xiao, Y. Wang, Pt/MoS₂/polyaniline nanocomposite as a highly effective room temperature flexible gas sensor for ammonia detection, ACS Appl. Mater. Interfaces 15 (2023) 9604–9617. Crossref
(26) D. Han, Y. Wang, Y. Wang, Q. Duan, D. Li, Y. Ge, S. Sang, Machine-learning-assisted n-GaN-Au/PANI gas sensor array for intelligent and ultra-accurate ammonia recognition, Chem. Eng. J. 495 (2024) 153705. Crossref
(27) Q. Feng, H. Zhang, Y. Shi, X. Yu, G. Lan, Preparation and gas sensing properties of PANI/SnO₂ hybrid material, Polymers 13 (2021) 1360. Crossref
(28) R. Kumar, H. Rahman, S. Ranwa, A. Kumar, G. Kumar, Development of cost effective metal oxide semiconductor based gas sensor over flexible chitosan/PVP blended polymeric substrate, Carbohydr. Polym. 239 (2020) 116213. Crossref
(29) C.M. Masemola, N. Moloto, Z. Tetana, L.Z. Linganiso, T.E. Motaung, E.C. Linganiso-Dziike, Advances in polyaniline-based composites for room-temperature chemiresistor gas sensors, Processes 13 (2025) 401. Crossref
(30) S. Budi, A. Juliana, U. Cahyana, A. Purwanto, A. Imaduddin, E. Handoko, Preparation of high surface area and high conductivity polyaniline nanoparticles using chemical oxidation polymerization technique, J. Phys.: Conf. Ser. 983 (2018) 012162. Crossref
(31) Q. Sun, M.C. Park, Y. Deng, Studies on one-dimensional polyaniline (PANI) nanostructures and the morphological evolution, Mater. Chem. Phys. 110 (2008) 276–279. Crossref
(32) J. Wang, J. Wang, Z. Yang, Z. Wang, F. Zhang, S. Wang, A novel strategy for the synthesis of polyaniline nanostructures with controlled morphology, React. Funct. Polym. 68 (2008) 1435–1440. Crossref
(33) Z.A. Boeva, V.G. Sergeyev, Polyaniline: synthesis, properties, and application, Polym. Sci. Ser. C 56 (2014) 144–153. Crossref
(34) W. Wang, Vapor phase infiltration (VPI) and doping of conducting polymers, Diss., Univ. País Vasco, 2017.
(35) Y. Wanna, N. Srisukhumbowornchai, A. Tuantranont, A. Wisitsoraat, N. Thavarungkul, P. Singjai, The effect of carbon nanotube dispersion on CO gas sensing characteristics of polyaniline gas sensor, J. Nanosci. Nanotechnol. 6 (2006) 3893–3896. Crossref
(36) J. Huang, S. Virji, B.H. Weiller, R.B. Kaner, Polyaniline nanofibers: facile synthesis and chemical sensors, J. Am. Chem. Soc. 125 (2003) 314–315. Crossref
(37) M.C. Bernard, A. Hugot-Le Goff, Raman spectroscopy for the study of polyaniline, Synth. Met. 85 (1997) 1145–1146. Crossref
(38) M.C. Bernard, A. Hugot-Le Goff, Quantitative characterization of polyaniline films using Raman spectroscopy: I: Polaron lattice and bipolaron, Electrochim. Acta 52 (2006) 595–603. Crossref
(39) R. Mažeikienė, G. Niaura, A. Malinauskas, A comparative multiwavelength Raman spectroelectrochemical study of polyaniline: a review, J. Solid State Electrochem. 23 (2019) 1631–1640. Crossref
(40) A.A. Jabor, A.M. Farhan, A.H.K. Elttayef, A.A. Jabor, Preparation poly 4-bromoaniline thin films by electro deposition technique for hydrogen gas sensor, J. Phys.: Conf. Ser. 1032 (2018) 012063. Crossref
(41) S.Z. Mohammadabadi, A.R. Zanganeh, Electrochemically generated recognition sites in self‐doped polyaniline modified electrodes for voltammetric and potentiometric determination of copper (II) ion, Electroanalysis 30 (2018) 415–425. Crossref
(42) A. Roy, A. Ray, P. Sadhukhan, K. Naskar, G. Lal, R. Bhar, S. Das, Polyaniline-multiwalled carbon nanotube (PANI-MWCNT): room temperature resistive carbon monoxide (CO) sensor, Synth. Met. 245 (2018) 182–189. Crossref
(43) R.K. Sonker, B.C. Yadav, G.I. Dzhardimalieva, Preparation and properties of nanostructured PANI thin film and its application as low temperature NO₂ sensor, J. Inorg. Organomet. Polym. Mater. 26 (2016) 1428–1433. Crossref
(44) A. Umar, A.A. Ibrahim, H. Algadi, H. Albargi, M.A. Alsairi, Y. Wang, S. Akbar, Enhanced NO₂ gas sensor device based on supramolecularly assembled polyaniline/silver oxide/graphene oxide composites, Ceram. Int. 47 (2021) 25696–25707. Crossref
(45) S. Nasresfahani, Z. Zargarpour, M.H. Sheikhi, S.N. Ana, Improvement of the carbon monoxide gas sensing properties of polyaniline in the presence of gold nanoparticles at room temperature, Synth. Met. 265 (2020) 116404. Crossref
(46) S. Jain, N. Karmakar, A. Shah, N.G. Shimpi, Development of Ni doped ZnO/polyaniline nanocomposites as high response room temperature NO₂ sensor, Mater. Sci. Eng. B 247 (2019) 114381. Crossref
(47) X.B. Yan, Z.J. Han, Y. Yang, B.K. Tay, NO₂ gas sensing with polyaniline nanofibers synthesized by a facile aqueous/organic interfacial polymerization, Sens. Actuators B 123 (2007) 107–113. Crossref
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
Как цитировать
