Development of conductometric polymer sensor for gaseous hydrogen chloride

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-opus-3260
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.10250

Hao, Qingli

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Date of publication of this fulltext: 04 Feb 2005 06:48

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Date:	3 February 2005
Referee:	Vladimir M. (PD. Dr.) Mirsky
Date of exam:	17 December 2003
Institutions:	Chemistry and Pharmacy > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik
Keywords:	Leitfähige Polymere , Polyaniline , Gassensor , Chlorwasserstoff , , conducting polymers , polyaniline , polyaniline derivatives , gas sensors , hydrogen chloride
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 540 Chemistry & allied sciences
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	10250

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Abstract (English)

Abstract (English)

� Electropolymerized thin films from polyaniline and its derivatives and more than thirty copolymers with the derivatives were studied. Mainly, electrochemical methods were used. Anion-exchange and the influence of pH and electrode potential on the electrical parameters of the polymer films were studied. The results were also evaluated by the newly developed technique of simultaneous applications of two- and four point measurements. Optimization of polymerization conditions was further used for combinatorial electropolymerization.
� Systematic investigation of polymerization conditions on the morphology of N-methyl polyaniline resulted in a formation of glass-like polymer layers which are smooth in sub-micrometer scale.
� Multilayer polymer sensors where sensitivity and contact bonding were provided by different types of conductive polymers (polyaniline as the sensitive polymer and poly(3,4-ethylene-dioxythiophene) as inert conductive polymer) were prepared electrochemically.
� Surface plasmon resonance transducing was applied for gas sensing with conductive polymers. The detection of gaseous hydrogen chloride by N-methyl polyaniline was demonstrated.
� Temperature influence on the kinetics of polyaniline association with gaseous hydrogen chloride was investigated. Activation energy for the reaction was evaluated as 18 kJ/mol. Temperature influence on the kinetics of dissociation of hydrogen chloride from polyaniline was investigated. Activation energy for desoption process was evaluated as 30 kJ/mol. The comparison of activation energies for direct and reverse reactions was used for estimation of binding energy (12 kJ/mol). The results indicate the temperature dependent conversion of emeraldine salt into emeraldine base. Thermal analyses were performed by TG and DSC. The complete removal of HCl dopant can be performed by heating at about 150°C.
� The observation of temperature dependent conversion of the emeraldine salt into emeraldine base was used for development of thermoregeneration of sensors for gaseous hydrogen chloride. Ultra-sensitive highly reversible and highly selective sensors for applications in alarm systems for cable fire were developed. According to the information from the industrial partner, the sensor test in DIN conditions confirmed that its properties exceed essentially currently produced sensors.
� Combinatorial electropolymerization was used for the comparison of sensitive polymers and further optimization of the sensor for gaseous hydrogen chloride. The best results were obtained for the copolymer formed from the mixture of aniline/3-aminobenzoic acid with molar ratio 3/7.

Translation of the abstract (German)

� Elektropolymerisierte dünne Filme aus Polyanilin, Derivaten von Polyanilin und mehr als dreißig Colpoymeren dieser Derivate wurden untersucht. Dazu wurden hauptsächlich elektrochemische Methoden benutzt. Der Austausch der Anionen und die Einflüsse des pH-Werts und des Elektrodenpotentials wurden überprüft. Die Ergebnisse wurden mit der neu entwickelten Technik der gleichzeitigen Zwei- und Vierpunktmessung ausgewertet. Die Optimierung der Bedingungen für die Polymerisation wurde weiter zur kombinatorischen Elektropolymerisierung benutzt.
� Die systematische Untersuchung des Einflusses der Polymerisationsbedingungen auf die Morphologie von N-Methylpolyanilin resultierte in einer Ausbildung einer glasartigen Polymerschicht mit einer Glätte im Submikrometerbereich.
� Multischicht-Polymer-Sensoren deren Sensitivität und elektrische Kontaktierung aus verschiedenen leitenden Polymeren (z.B. Polyanilin als sensitives Polymer in Kombination mit Poly(3,4-ethylendioythiophen) als inertes leitendes Polymer) resultiert, wurden elektrochemisch erzeugt.
� Die Oberflächenplasmonresonanz wurde angewendet, um die Sensitivität von leitenden Polymerschichten für Gas zu prüfen. Eine Detektion von gasförmigem Chlorwasserstoff mit N-Methylpolyanilin konnte gezeigt werden.
� Der Einfluss der Temperatur auf die Kinetik der Assoziation von gasförmigem Chlorwasserstoff an Polyanilin wurde geprüft. Eine Aktivierungsenergie von 18 kJ/mol wurde für diese Reaktion ermittelt. Die Temperaturabhängigkeit der Kinetik der Dissoziation von Chlorwasserstoff von Polyanilin wurde ebenfalls untersucht. Die hierfür gefundene Aktivierungsenergie beträgt 30 kJ/mol. Der Vergleich der Aktivierungsenergien für beide Reaktionen erlaubt eine Abschätzung der Bindungsenergie (12 kJ/mol). Die Ergebnisse deuten auf eine Umwandlung des Emeraldin-Salzes in die Emeraldin-Base hin. Thermische Untersuchungen wurden mittels TG und DSC durchgeführt. Eine vollständige Entfernung der HCl Dotierung kann durch Erhitzen auf etwa 150 °C erreicht werden.
� Die Beobachtung der temperaturabhängigen Umwandlung des Emeraldin-Salzes in die Emeraldin-Base wurde zur Erzeugung eines thermoregenerativen Sensors für Chlorwasserstoffgas benutzt. Überaus sensitive, höchst reversible und äußerst selektive Sensoren zur Anwendung als Brandmelder für Kabelbrände wurden entwickelt. Nach den Richtlinien der Industrie konnte gezeigt werden, dass dieser Sensor bei Tests unter DIN-Bedingungen besser abschnitt als bisherige Sensoren.
� Mit Hilfe der kombinatorischen Elektropolymerisierung wurden verschiedene sensitive Polymere verglichen und weitergehend optimiert hinsichtlich ihrer Verwendung als Sensor für Chlorwasserstoffgas. Die besten Ergebnisse wurden für Copolymere, erzeugt aus einer Mischung von Anilin und 3-Aminobenzoesäure bei einem molaren Verhältnis von 3:7, erhalten.

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