富活性位点取代聚苯胺纤维高灵敏选择性检测胺类恶臭污染物

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胺类物质是垃圾处理、石油化工等行业的典型恶臭污染物之一,具有极低的嗅觉阈值,浓度低但恶臭贡献极大。实现胺类物质快速准确在线监测,对恶臭污染的识别、溯源和治理具有重要意义。然而,当前胺类物质的气体传感器难以达到在线监测所需灵敏度。此外,环境中胺类物质有多种同系物共存,进一步增大了准确识别的难度。通过静电纺丝制备高比表面积的聚苯胺纤维对胺类物质具有较好的气敏检测性能,但纤维表面用于调节溶液黏度而无气敏活性的配体聚合物占比过高,导致纤维表面活性位点不足,严重限制了气敏性能的提升。同时,聚苯胺气敏活性位点缺乏结构设计,难以实现胺类物质的选择性检测。因此,本论文拟研究静电纺丝射流外层固化析出行为通过引发“固液相分离”提升纤维表面聚苯胺分子占比,揭示“固液相分离”的发生机制及关键因素,实现富活性位点聚苯胺纤维的制备,提高纤维对胺类物质的检测灵敏度。在此基础上,结合实验观测和计算模拟分析聚苯胺与胺类物质的气敏结合位点,设计和制备基团取代聚苯胺对气敏活性位点进行改性,提升聚苯胺对胺类同系物的选择性,实现胺类恶臭物质的高灵敏、选择性检测。(1)通过调控静电纺丝射流固化阶段聚苯胺和配体聚合物的析出行为实现了“固液相分离”,探究了“固液相分离”的发生机制和关键因素。“固液相分离”的发生本质上由聚苯胺和配体聚合物在溶液中的饱和度差异决定,并直接影响纤维表面的聚苯胺分子占比。调整静电纺丝参数能够改变溶液状态、射流直径、射流飞行时间和溶剂挥发速度,影响聚苯胺分子在射流内部迁移的速率和射流固化的速度,实现对“固液相分离”的控制,并建立了纤维表面聚苯胺活性位点变化的表征方法。(2)通过调控聚苯胺与配体聚合物在溶液中的饱和度差异以及静电纺丝参数,优化“固液相分离”的程度,成功制备了富活性位点聚苯胺/聚丙烯腈静电纺丝纤维。纤维表面气敏活性位点的数量显著增加(聚苯胺/聚丙烯腈红外特征峰强度比值由2.3增大至2.8),使其对三甲胺的响应灵敏度大幅提升,检出限达0.016 mg/m3,低于国标规定的三甲胺恶臭气体排放限值(0.05 mg/m3);并且表现出优秀的测试重现性(RSD=4.7%,n=10)、较快的响应恢复速度(4 s/22 s)、良好的长期稳定性和抗干扰能力。(3)基于聚苯胺与三甲胺气敏响应过程电学性能变化的分析和对二者吸附构型的计算模拟,确认二者吸附位点(气敏活性位点)为聚苯胺分子链上的亚胺基,结合方式为三甲胺氮原子结合聚苯胺亚胺基氢原子。通过化学氧化聚合的方式制备了邻位取代聚苯胺,对气敏活性位点进行改性。邻位氨基的引入增强了聚邻苯二胺对胺类物质的吸附能力,使得材料对胺类物质呈现相近的灵敏度,选择性较差。在邻位引入氯原子取代增强了材料对二甲胺和三乙胺的选择性。邻位甲氧基的引入增大了气敏活性位点周围的空间位阻效应,大幅提升了材料的气敏选择性,仅对氨和伯胺存在响应。(4)结合上述“固液相分离”和“基团取代”研究,利用静电纺丝制备了富活性位点聚(2-氯苯胺)纤维,并探究了其对二甲胺的气敏性能。相比于滴涂方式制备的传感器器件,静电纺丝聚(2-氯苯胺)纤维器件的比表面积大幅提升,对0.1 mg/m3-2mg/m3浓度范围的二甲胺呈现良好的线性响应;响应/恢复时间为22 s/23 s;5次平行测定的相对标准偏差为4.3%;在二甲胺2 mg/m3和三甲胺2.64 mg/m3的混合样品中测定二甲胺浓度的相对误差仅为4%;表现出良好的检测灵敏度、重现性、同系物选择性以及快速的响应恢复性。
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