Investigation of gold nanoparticle doping on the sensing properties of polypyrole based conducting polymer

Abstract

Toksik gazlar insan sağlığının yanında hem hayvanların hem de bitkilerin sağlığı için zararlıdır. Farklı konsantrasyonlar sağlık üzerinde çeşitli kalıcı veya ölümcül problemlere yol açarlar. Bu yüzden ortamdaki toksik gazların (karbon monoksit, karbon dioksit, amonyak) ve oksijenin ortamdaki kontrolü hayati önem arz etmektedir. Bu çalışmada, altın nanoparçacık katkılamanın pirol tabanlı iletken polimerlerin gaz algılama özelliklerine olan etkisi akustik dalga tekniği ve elektriksel ölçüm yöntemleriyle incelenmiştir. Bu çalışmada, kuartz kristal mikrobalans metodu kullanılmıştır. Kuartz kristal mikrobalans, nanogram mertebesinde, malzemelerin gaz tutma özelliklerini inceleyebileceğimiz bir tekniktir. Sauerbrey ilişkisine göre, kristal elektrotundaki kütle değişimi, titreşen kristal elektrotta belirli bir frekans kaymasına neden olur. Bu değişim QCM metodu ile ölçülebilir.İletken polimerlerin kolayca katkılanabilmesi ve sentezinin kolay olması ayrıca kolayca farklı fonksiyonel grupların bağanabilmesi ile gaz adsorplama özellikleri iyileştirilebilir olması gaz sensor uygulamaları için uygun malzemelerdir. Bu çalışmada, polipirol temelli olarak sentezlenmiş ve altın nanokatkılanmış olan malzemelerden seri oluşturulmuştur. Polipirol, polipirol-ferrosen, polipirol-altın- ferrosen, polipirol-altın ve ferrosen çalışmada kullanılmıştır. Herbir malzemenin 10 miligramı 20 mililitre dimethylformamide (DMF) içinde dispersiyonları hazırlanmıştır. Bu dispersiyonlar manyetik karıştırıcıda bir saat karıştırılmış ve filtre aralığı maksimum 450 nanometre olan filter ile süzülmüştürHerbir malzemenin dispersiyonu 50 mikrolitre A-T kesim kuartz kristal elektroduna damlatma ile kaplama metodu ile kaplanmıştır.Daha iyi iletkenlik alabilmek için 3 mikrometre aralıklı taraklı altın elektrotlar üzerine malzemeler filtre edilmeden damlatılmıştır. Oluşturulmuş olan filmler sıcak tabaka üzerinde 50 0C bir saat süre ile kurutulmuştur. İnce film kaplı elektrotlar, gaz ölçümlerinin yapılabilmesi için tasarlanmış, elektromanyetik alan korumalı test hücresi içine yerleştirilmiştir. Bilgisayar kontrollü kütle akışmetreler ile önceden belirlenen zaman aralıklarında hacmen %0 ve %100 arasında değişebilen konsantrasyonlarda, ortama CO, CO2, O2 ve NH3 gazları gönderilmiştir.Gönderilen gazın QCM electrodundaki film yüzeyine adsorbe veya absorbe olmasına bağlı olarak rezonans frekansında kaymalar ölçülüp, Sauerbrey denklemine göre adsorbe olan gaz miktarı belirlenmiştir. Iç içe geçmiş taraklı elektrotlardan gaza bağlı ve 1 mikroamper akım sınırlaması olarak sonuçlar alınmıştır.İç içe geçmiş taraklı elektrot ve QCM tekniği kullanılarak altın katkılamanın polipirol tabanlı iletken polimerlerin gas algılama özelliklerine olan etkisi incelenmiştir. PPy, Fc, PPy-Fc, PPy-Au ve PPy-Fc-Au dan bir seri oluşturulmuştur.Polipirolün Fc ile modifikasyonu, PPy-Fc'nin duyarlılığı PPy ye göre azalmış fakat Fc ye göre artırmıştır. PPy-Fc altın katkılamakla CO2 e duyarlılık PPy-Fc ye göre artmıştır. Karbondioksite karşı olan duyarlılık, PPy-Fc altın katkılamakla artmış fakat PP ye altın katkılamakla PPy ye olan duyarlılık azalmıştır. Amonyak gazına karşı olan duyarlılık polipirolun ferosenle modifikasyonu ferosene göre artmış. Oksijene karşı olan duyarlılıkaltın katkılanmış PPy-Fc de PPy, Fc ve PPy-Fc ye göre daha fazladır fakat amonyağa karşı olan duyarlılık katkılama ile polipirole yakın bir sonuç çıkmıştır ama bunu yanın da oksijene olan duyarlılık altın katkılama ile ferosen ile modifikasyona göre artmıştır. Sonuçlara göre PPy, PPy-Au, Fc, PPy-Fc amonyağa karşı seçici davranmıştır.

Besides human health, toxic gases are harmful for both animal and plant health. Various concentrations cause so many fatal or permanent problems. Therefore, controlling toxic gases (carbon monoxide, carbon dioxide, ammonia), and oxygen at the indoor environment is of vital importance. In this study, effect of gold nanoparticle doping on the gas sensing properties of pyrrole-based conductive polymers were investigated via acoustic wave and electrical based techniques. In this study, quartz crystal microbalance technique was used. Quartz Crystal Microbalance is a powerful technique for nano scale determination of the sorption properties of materials. According to Sauerbrey relation, the mass change on quartz crystal electrode cause a certain shift in the resonant frequency of a vibrating crystal oscillator. This shift can be monitored using QCM method.Being easily supplemented, synthesized, modified with different kinds of functional groups and improved gas sorption properties, conducting polymers are suitable for gas sensors. Polypyrrole, polypyrrole-ferrocene, polypyrrole-gold-ferrocene and polypyrrole-gold were synthesized except ferrocene and used along with pure ferrocene throughout this study. A series containing polypyrrole-based materials doped with gold nanoparticles were formed.Dispersions containing 0.1 g of each material in 20 mL dimethylformamide (DMF) were prepared and agitated for 1 h on magnetic stirrer. The dispersions were filtered out using zero – 450 nm mesh filters. 5 L from each of these dispersions were then drop-cast onto AT-cut gold-coated quartz crystal microbalance (QCM) electrodes. To yield higher conductance values, the prepared dispersions were directly drop-cast onto gold interdigitated (IDE) glass electrodes with 3 m interdigit spacing without filtering. The coated electrodes were dried on hot plate at 50 °C for 1 h to deposit thin-films. The thin-film coated electrodes were placed in an electromagnetically shielded test cell specifically designed for gas measurements. An array of computer controlled mass flow meters were used to maintain CO, CO2, O2 and NH3 gas flow into the test cell with alternately varying concentration levels ranging between 0 vol% to 100 vol% in predetermined intervals. Gas sensor responses of the thin-film coated QCM electrodes were assessed by measuring the frequency shift of the vibrating quartz crystal from its natural resonance frequency due to gas sorption onto the deposited thin-films. The frequency shift are evaluated according to value into adsorbed mass consistent with Sauerbrey relation. Responses from the interdigitated electrodes were assessed by measuring the resistance changes through the thin-film coating under a compliance current value of 1.0000 mA. Effect of gold nanoparticle doping on the gas sensing properties of pyrrole-based conductive polymers were investigated via quartz crystal microbalance and interdigitated electrode techniques. A sequence were created from PPy, Fc, PPy-Fc, PPy-Au and PPy-Fc-Au.Modification of PPy with ferrocene caused the sensitivity of the PPy-Fc material fell down with respect to bare PPy but increased with respect to bare Fc. After gold doping to PPy-Fc the sensitivity to CO2 increased with respect to PPy-Fc. Gold doping to PPy-Fc increased sensitivity to CO2, whereas gold doping to PPy decreased sensitivity to CO2 with respect to bare PPy. Modification of PPy with ferrocene, the sensitivity of the PPy-Fc material were increased, even though bare Fc showed low sensitivity value for NH3 gas. After gold doping to PPy-Fc the sensitivity to O2 was higher than bare PPy, Fc and PPy-Fc, but the sensitivity to NH3 decreased with respect to PPy-Fc giving sensitivity values close to bare PPy, whereas gold doping to bare PPy increased the sensitivity to O2 with respect to Fc and nearly was dropped to halve of the sensitivity to NH3. From the results show that PPy, PPy-Au, Fc, PPy-Fc are selective to NH3 with respect to the other gasses.