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Highly Sensitive Ammonia Sensor Based on Modified Nanostructured Polypyrrole Decorated With MAF-6 to Reduce the Effect of Humidity

聚吡咯 相对湿度 材料科学 湿度 纳米技术 电极 化学工程 高分子化学 数学 核化学 分析化学(期刊) 化学 有机化学 电化学 物理 物理化学 工程类 热力学
作者
Jiří Štulík,Radek Polanský,Petr Kuberský,Denis Zabelin,Oleksiy Lyutakov,Zdeňka Kolská,Václav Švorčı́k
出处
期刊:IEEE Sensors Journal [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:23 (3): 1896-1907 被引量:2
标识
DOI:10.1109/jsen.2022.3229835
摘要

An ammonia gas sensor based on nanostructured polypyrrole functionalized by carboxylic groups (PPy-COOH) was prepared and characterized. The active layer was deposited on a ceramic substrate with gold interdigital electrodes by a low-cost airbrush-spray coating technique, and the sensor exhibited a strong response to ammonia ( ${Z}/{Z}_{{0}}\,\,=$ 5.48 at 100 ppm) in comparison with pure PPy ( ${Z}/{Z}_{{0}}\,\,=$ 1.5 at 100 ppm). Cross-sensitivity measurement showed a more significant response to relative humidity (RH) and so two approaches were used to reduce this undesirable humidity dependence: 1) the creation of a hydrophobic metal-organic framework (so-called MAF-6) on the PPy-COOH layer and 2) the fabrication of a heterostructure of PPy-COOH with multiwall carbon nanotubes (MWCNTs). Both approaches resulted in a significant reduction in the humidity dependence of the sensor, from the value ${Z}/{Z}_{{0}}\,\,=$ 0.02 (PPy-COOH) to 0.404 and 0.427 for PPy-COOH-MAF-6 and PPy-COOH/MWCNT, respectively. However, the samples coated with MAF-6 showed a smaller decrease in response to ammonia. In addition, the proposed approach with MAF-6 functionalization allowed ammonia detection within a broader RH range (up to 60% RH) compared to the PPy-COOH sensing layer. The presence of MAF-6 on the surface of PPy-COOH was further verified by infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD) spectroscopy, and scanning electron microscopy together with energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDX). The sensing mechanisms of ammonia and RH of the PPy-COOH material are also discussed in this article.

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