Polyaniline/CaTi0.8Fe0.2O3 composites for humidity sensors

• Autorzy: Łańcucki Ł. , Pasierb P.

Warianty tytułu

PL

Kompozyty na bazie polianiliny domieszkowanej CaTi0,8Fe0,2O3 jako sensory wilgotności

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Polyaniline (PANI) is a conductive polymer material with a huge potential for constructing different electrochemical devices. Different strategies can be used to modify and optimize polymer properties from the point of certain applications, e.g. for the construction of gas sensors. Among those strategies, the formation of composite materials comprising PANI as the base material and ceramic powder material as a modifier is a promising approach. In this work the results concerning the influence of CaTi0.8Fe0.2O3 (CTFO) powders on some physicochemical properties of polyaniline (PANI) were presented and discussed. The materials were obtained by the polymerization of an aniline solution where CTFO powder, prepared by the sol-gel method was added. The microstructures of the materials were characterized using Scanning Electron Microscopy (SEM), the structure and phase composition was tested by X-ray diffraction (XRD) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). The electrical properties of the developed PANI-CTFO composites were determined using Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). The gas sensing properties of the constructed sensor devices in the presence of water vapor were tested by measurements of DC electrical conductivity changes as a function of water vapor partial pressure. The current-voltage (I-U) characteristics were also used to characterize the influence of CTFO material on PANI electrical properties. It was found that the introduction of CTFO into the PANI host material leads to substantial changes in the material properties comparing to unmodified PANI. The discussion concerning the influence of the used modifiers on the structure, microstructure and electrical and sensing properties of the developed materials and observed correlation is also presented. The mechanism of the observed influence of CTFO on PANI properties is also proposed. The dominating role of the PANI-CTFO interface on the material properties is postulated.

PL

Polianilina (PANI) należy do grupy polimerów przewodzących posiadających ogromny potencjał z punktu widzenia możliwości budowy różnych urządzeń elektrochemicznych. W celu optymalizacji właściwości polimeru pod kątem określonego zastosowania, np. do konstrukcji czujników gazowych, stosuje się różne strategie modyfikacji. Wśród nich obiecującym podejściem jest utworzenie materiałów kompozytowych zawierających jako materiał bazowy PANI i jako modyfikator proszkowy materiał ceramiczny. W pracy przedstawiono wyniki dotyczące wpływu proszków CaTi0.8 Fe0.2O3 (CTFO) na niektóre właściwości fizykochemiczne polianiliny (PANI). Materiały zostały uzyskane przez polimeryzację roztworu aniliny, do których dodano proszku CTFO przygotowanego metodą zol-żel. Mikrostruktura materiałów została określona przy użyciu skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM), strukturę i skład fazy zbadano przez dyfrakcję promieniowania X (XRD) i spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR). Właściwości elektryczne opracowanych kompozytów PANI-CTFO wyznaczono za pomocą pomiarów metodą elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (EIS). Charakterystyki sensorowe na obecność pary wodnej prototypowych czujników budowanych z otrzymanych materiałów były testowane poprzez pomiar zmian przewodnictwa elektrycznego w funkcji ciśnienia cząstkowego pary wodnej. Wykonano także pomiary charakterystyk prąd-napięcie (I-U), które wykorzystano do dodatkowego scharakteryzowania wpływ materiału CTFO na właściwości elektryczne PANI. Stwierdzono, że wprowadzenie CTFO do materiału bazowego PANI prowadzi do znacznych zmian właściwości materiału w porównaniu do niezmodyfikowanej polianiliny PANI. Przeprowadzono dyskusję dotyczącą wpływu stosowanych modyfikatorów CTFO na strukturę, mikrostrukturę i właściwości elekftryczne badanych materiałów na bazie PANI oraz określono wzajemne korelacje. Uzyskane wyniki wskazują na dominującą rolę granic faz CTFO-PANI na właściwości elektryczne badanych materiałów.

Słowa kluczowe

EN

polyaniline; nanofiber; composite; iron doped calcium titanate; humidity sensor; conductivity

PL

polianilina; nanowłókna; kompozyt; tytanian wapnia domieszkowany żelazem; sensor wilgotności; przewodnictwo

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2015
• Tom: R. 15, nr 4
• Strony: 233--242
• Opis fizyczny: Bibliogr. 41 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Łańcucki Ł.

• AGH - University of Science and Technology, Faculty of Materials Science and Ceramics, al. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Pasierb P.

• AGH - University of Science and Technology, Faculty of Materials Science and Ceramics, al. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

Bibliografia

• [1] Chen Z., Lu C., Humidity sensors: A review of materials and mechanisms, Sens. Lett. 2015, 3, 274–295.
• [2] Pawar S.G., Chougule M.A., Patil S.L., Raut B.T., Godse P. R., Sen S., Patil V.B., New method for fabrication of CSA doped PANI-TiO2 sensor, IEEE Sen. J. 2011, 11, 3417-3423.
• [3] Arshak E.M.K., Lyons G.M., Harris J., Clifford S., A review of gas sensors employed in electronic nose applications, Sens. Rev. 2004, 24, 181-198.
• [4] Stejskal J., Sapurina I., Trchova M., Polyaniline nanostructures and the role of aniline oligomers in their formation, Prog. Poly. Sci. 2010, 35, 1420-1481.
• [5] Letheby H., On the production of a blue substance by the electrolysis of sulphate of aniline, J. Chem. Soc. 1862, 15, 161-163.
• [6] Genes E.M., Boyle A., Lapkowski M., Tsintavis C., Polyaniline: A historical survey, Synth. Met. 1990, 36, 139-182.
• [7] Diaz A.F., Logan J.A., Electroactive polyaniline films, J. Electroanal. Chem. Inter. Electrochem. 1980, 11, 111-114.
• [8] Sapurina I., Stejskal J., The mechanism of the oxidative polymerization of aniline and the formation of supramolecular polyaniline structures, Polym. Int. 2008, 57, 1295-1325.
• [9] Łańcucki, Ł., Kruczała, K. Development of stabilized proton conducting membrane based on poly(ethylene-co-vinyl alcohol), Polym. Deg. Stab. 2014, 109, 327-335.
• [10] Sonoda K., Juuti J., Moriya Y., Jantunen H., Modification of the dielectric properties of 0-3 ceramic-polymer composites by introducing surface active agents onto the ceramic filler surface, Compos. Struct. 2010, 92, 1052-1058.
• [11] Kobayashi Y., Kurosawa A., Nagao D., Konno M., Fabrication of barium titanate nanoparticles-polymethylmethacrylate composite films and their dielectric properties, Polym. Eng. Sci. 2009, 49, 1069-1075.
• [12] Windlass H., Raj P.M., Balaraman D., Bhattacharya S.K., Tummala R.R., Colloidal processing of polymer ceramic nanocomposites for integral capacitors, IEEE T. Electron. Pa. M. 2003, 26, 100-105.
• [13] Chatterjee K., Dhara P., Ganguly S., Kargupta K., Banerjee D., Morphology dependent ammonia sensing with 5 - sulfosalicylic acid doped nanostructured polyaniline synthesized by several routes, Sensor. Actuator. B: Chem. 2013, 181, 544-550.
• [14] Khuspe G.D., Navale S.T., Chougule M.A., Patil V.B., Ammonia gas sensing properties of CSA doped PANI-SnO2 nanohybrid, Synth. Met. 2013, 185, 1-8.
• [15] Talwar V., Singh O., Singh R.C., ZnO assisted polyaniline nanofibers and its application as ammonia gas sensor, Sensor. Actuator. B: Chem. 2014, 191, 276-282.
• [16] Traversa E., Ceramic sensors for humidity detection: the state-of-the art and future developments, Sensor. Actuator. B: Chem. 1995, 23, 135-156.
• [17] Wu L., Wu C.C., Wu M.M., Humidity sensitivity of Sr (Sn, Ti)O3 ceramics, Journal of Electronic Materials 1990, 19, 197-200.
• [18] Dunyushkina L.A., Electrophysical properties of titanates of alkaline-earth metals, Russ. J. Electrochem. 2007, 43, 894-900.
• [19] Gorelov V.P., Balakireva V.B., Electroconductivity and nature of ionic transport in the calcium titanate-based substituted perovskites in humid atmosphere, Russi. J. Electrochem. 1997, 33, 1346-1350.
• [20] Parveen A., Koppalkar A.R., Roy A.S., Surface modified CaTiO3 loaded in polyaniline by sodium dodecyl benzene sulphonic acid for humidity sensor, IEEE Sensor J. 2012, 12, 2817-2823.
• [21] Ciric-Marjanovic G., Blinova N.V., Trchova M., Stejskal J., Chemical oxidative polymerization of safranines, J. Phys. Chem B. 2007, 111, 2188-99.
• [22] Yang H., Han C., Xue X., Photocatalytic activity of Fe-doped CaTiO3 under UV-visible light, J. Env. Sci. 2014, 26, 1489-1495.
• [23] Stejskal J., Sapurina I., Polyaniline: thin films and colloidal dispersions, Pure. Appl. Chem. 2005, 77, 815-26.
• [24] Trchová M., Stejska J., Polyaniline, The infrared spectroscopy of conducting polymer nanotubes (IUPAC Technical Report), Pure. Appl. Chem. 2011, 83, 1803-1817.
• [25] Xie S.H., Zhu B.K., Wei X.Z., Xu Z.K., Xu Y.Y., Polyimide/BaTiO3 composites with controllable dielectric properties, Composite 2005, 36, 1152-1157.
• [26] Stejskal J., Sapurina I., Trchova M., Polyaniline nanostructures and the role of aniline oligomers in their formation, Prog. Polym. Sci. 2010, 35, 1420-1481.
• [27] Chen Q., Hong R.Y., Fabrication and characterization of Ba0.5Sr0.5TiO3 -PANI/PS three-phase composites, Ceram. Int. 2015, 41, 2533-2542.
• [28] Seifert F., Knight K.S., Carpenter M.A., Redfern, S.A.T., Becerro A.I., Displacive phase transitions in and strain analysis of Fe-doped CaTiO3 perovskites at high temperatures by neutron diffraction, J. Solid. State. Chem. 2002, 167, 459-471.
• [29] Zhao G.Y., Li H.L., Preparation of polyaniline nanowire arrayed electrodes for electrochemical supercapacitors, Micropor. Mesopor. Mat. 2008, 110, 590-594.
• [30] Abdolahi A., Hamzah E., Ibrahim Z., Hashim S., Synthesis of uniform polyaniline nanofibers through interfacial polymerization, Material. 2012, 5, 1487-1494.
• [31] Parveen A., Koppalkar R.A., Ekhelikar S., Prasad M.V.N. A., Synthesis, characterization and electrical properties of polyaniline/SrTiO3 composites, Mat. Sci. Res. Ind. 2009, 6, 179-183.
• [32] Abdulla H.S., Abbo A.I. Optical and electrical properties of thin films of polyaniline and polypyrrole, Int. J. Electrochem. Sci. 2012, 7, 10666-10678.
• [33] Chougule M.A., Pawar S.G., Godse P.R., Mulik R.N., Sen S., Patil V.B., Synthesis and characterization of polypyrrole (PPy) thin films, Soft Nanosci. Lett. 2011, 1, 6-10.
• [34] Kobayashi A., Ishikawa H., Amano K., Satoh M., Hasegawa E., Electrical conductivity of annealed polyaniline, J. App. Phys. 1993, 74, 296-299.
• [35] Sadek A.Z., Wlodarski W., Shin K., Bkaner R., Kalantar-Zadeh K., Alayered surface acoustic wave gas sensor based on a polyaniline/In2O3 nanofibre composite, Nanotechnology 2006, 17, 4488-4492.
• [36] Huang W.S., Mac Diarmid A.G., Optical properties of polyaniline, Polymer 1993, 34, 1833-1845.
• [37] Kang E.T., Neoh K.G., Tan K.L., Polyaniline: A polymer with many interesting intrinsic redox states, Prog. Polym. Sci. 1998, 23, 277-324.
• [38] Chani M.T.S., Karimov Kh. S., Khalid F.A., Moiz S.A., Polyaniline based impedance humidity sensors, Solid State Sci. 2013, 18, 78-82.
• [39] Zeng F.W., Liu, X.X., Diamond D., Lau K.T., Humidity sensors based on polyaniline nanofibres, Sensor. Actuator B: Chem. 2010, 143, 530-534.
• [40] Cavalloa P., Acevedoa D.F. Fuertesb M.C., Galo Soler-Illiab J.A.A., Barberoa C.A., Understanding the sensing mechanism of polyaniline resistive sensors. Effect of humidity on sensing of organic volatiles, Sensor. Actuator. B Chem. 2015, 210, 574-580.
• [41] Roy A.S., Anilkumar K.R., Prasad M.V.N.A., Studies of AC conductivity and dielectric relaxation behavior of CdO-doped nanometric polyaniline, J. Appl. Polym. Sci. 2012, 123, 1928-1934.