可降解聚合物用于开发环保高性能气体传感器

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空气污染物氮氧化物(NO₂)等主要来自化石燃料燃烧,被认为会对人体健康造成严重影响,并与肺水肿、支气管炎和哮喘等呼吸系统疾病相关。为实现有效空气质量监测,便携式气体传感器需要同时具备高灵敏度、选择性与长期稳定性。有机场效应晶体管(OFET)因轻便、柔性和易制造等特点,被视为高灵敏度便携传感器的潜在方案之一。

不过,OFET在实际应用中仍面临有机半导体寿命有限的问题:材料易受湿气与氧气影响发生降解,导致器件性能随时间衰退,并可能进一步加剧电子废弃物与环境污染。

据韩国仁川国立大学能源与化学工程系朴永敦教授团队介绍,研究人员开发了一种更具环境友好特征的OFET气体传感器方案。该方案采用混合聚合物薄膜作为活性层,将常用有机半导体聚(3-己基噻吩)(P3HT)与可降解聚合物聚(丁二酸丁二醇酯)(PBS)结合。朴永敦表示,团队通过引入PBS并配合溶剂工程,验证了器件可持续性与性能可同时实现。相关成果发表于2025年11月1日的《化学工程杂志》。

在制备过程中,研究人员分别使用氯仿(CF)以及氯仿与二氯苯的混合溶剂(CF:DCB)配制P3HT与PBS的混合溶液,并将其沉积在硅基底上,配合金电极构建OFET型气体传感器,由此形成两类器件。

研究显示,溶剂选择会显著影响活性层内部结构与器件表现。采用CF制备的薄膜呈现P3HT与PBS的水平相分离,表面结构不均匀;采用CF:DCB制备的薄膜则表现为垂直相分离,并在不同组分比例下均呈现更均匀的表面形貌。

在电学性能方面,两类器件的电性能均随PBS含量上升而下降,但差异在高PBS比例时更为明显:CF体系器件在PBS含量超过50%后停止工作;而CF:DCB体系器件在PBS含量高达90%时仍能保持稳定性能。

团队同时评估了气体响应能力。测试结果显示,两类器件对NO₂、二氧化硫(SO₂)和二氧化碳(CO₂)的灵敏度均随PBS含量增加而提升。其中,CF体系薄膜的灵敏度更高;CF:DCB体系薄膜则在PBS含量达到90%时仍保持较好的灵敏度与稳定性。对比不同气体,器件对NO₂的灵敏度明显高于对SO₂和CO₂的灵敏度。

此外,研究人员指出,提高PBS比例可增强薄膜柔韧性;两类器件均被证实可在海水中实现生物降解。朴永敦表示,该类环保且资源效率更高的传感器为可持续气体传感技术提供了新的路径,适用于大规模或一次性应用,并有望在长期使用中减少电子废弃物,尤其适合部署于自然或海洋环境的传感场景。


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