Development of a new hydrogen gas sensor for the realization of a safe hydrogen society: Fabrication of a new sensing film with a two-layer structure.

开发新型氢气传感器以实现安全的氢社会：制造具有两层结构的新型传感薄膜。

基本信息

批准号：
21K04690
负责人：
松口正信
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Ehime University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は、基板上に導電性高分子であるポリアニリン（PANI）グラフト鎖を検知層として成長させた常温作動型水素センサーを作製する初めての試みである。さらに、水蒸気バリアー層として疎水性高分子をPANIに共重合させた二層構造とすることで、水素ガス応答に対する湿度の影響を抑制する。以上の取組により、水素社会の実現に不可欠な実用水素ガスセンサーの構築を目指す。補助事業2年目にあたる令和22年度は、二層構造を有するセンサーを作製し、その水素ガス応答特性について調べた。まず、PANIグラフト膜センサの応答を調べたところ、PANIを単に塗布しただけの場合と比較して2倍の大きな応答値が得られた。この応答値は、これまでに報告されている酸化物半導体や炭素化合物を用いた室温作動型水素ガスセンサの応答値と比較しても、十分に大きな値であった。さらに、応答速度もかなり早く、1分程度で平衡値に達した。これらのすぐれた水素ガス応答特性が得られた理由は、PANIをグラフト膜構造とすることでPANI鎖間に大きな自由体積が生じたためだと考えられる。その結果、膜内部へのガス拡散が容易になり、内部のPANI鎖とも容易に反応することができるようになったと考えられる。次に、PStをPANI鎖に共重合し水素ガス応答を調べた結果、PStバリアー層の付与は水素ガス検知の妨げにはならないことが確かめられた。また湿度の影響について調べたところ、加湿条件下では水素ガス応答値が減少したものの、バリアー層を付与していない場合と比較してその影響を抑制できることが確認できた。また、研究計画にはなかった試みとして、PSt球状マイクロ微粒子をバリアー層として積層した二層検知膜も作製したところ、より湿度の影響を抑制できることを明らかにした。

这项研究是首次尝试通过在基板上生长导电聚合物聚苯胺（PANI）的接枝链作为传感层来创建在室温下工作的氢传感器。此外，通过创建疏水性聚合物与PANI共聚的两层结构作为水蒸气阻挡层，可以抑制湿度对氢气响应的影响。通过上述努力，我们的目标是构建一种对于实现氢社会至关重要的实用氢气传感器。 2021财年，即补贴项目的第二年，我们创建了一种双层结构的传感器，并研究了其氢气响应特性。首先，当我们研究PANI接枝膜传感器的响应时，我们获得的响应值是简单应用PANI时的响应值的两倍。与迄今为止报道的使用氧化物半导体和碳化合物的室温氢气传感器的响应值相比，该响应值足够大。而且响应速度也很快，大约1分钟就达到了平衡值。获得这些优异的氢气响应特性的原因被认为是由于PANI的接枝膜结构在PANI链之间产生了大的自由体积。结果，认为气体扩散到膜中变得更容易并且变得可以容易地与内部PANI链反应。接下来，将PSt与PANI链共聚并检查氢气响应，结果证实添加PSt阻挡层不会干扰氢气检测。我们还研究了湿度的影响，发现尽管在潮湿条件下氢气响应值降低，但证实与不设置阻挡层时相比可以抑制这种影响。此外，作为研究计划中未包含的尝试，我们制作了一种两层传感膜，其中层压PSt球形微粒作为阻挡层，结果表明可以进一步抑制湿度的影响。