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JP7634830B2 - Gas sensing material and its manufacturing method - Google Patents

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JP7634830B2
JP7634830B2 JP2021014314A JP2021014314A JP7634830B2 JP 7634830 B2 JP7634830 B2 JP 7634830B2 JP 2021014314 A JP2021014314 A JP 2021014314A JP 2021014314 A JP2021014314 A JP 2021014314A JP 7634830 B2 JP7634830 B2 JP 7634830B2
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gas sensing
sensing material
carbon
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聲敏 姜
正基 高田
鎭烈 金
富淵 黄
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LG Electronics Inc
Kookmin University
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Description

本発明は気体感知材及びその製造方法に関する。
〔関連技術〕
本願は、特願2020-030315号〔出願日:2020年(令和2年)2月26日〕に基づく日本国特許法第41条に規定する国内優先権主張を伴ったものであり、本発明は当該特許出願に開示された内容に基づくものである。参考のために、当該特許出願の明細書及び図面に記載された内容は本願明細書の一部に包摂されるものである。
The present invention relates to a gas sensing material and a method for producing the same.
Related Art
This application claims domestic priority under Article 41 of the Japanese Patent Law based on Japanese Patent Application No. 2020-030315 (filing date: February 26, 2020 (Reiwa 2)), and the present invention is based on the contents disclosed in that patent application. For reference, the contents described in the specification and drawings of that patent application are incorporated by reference into the specification of this application.

気体感知材は、生産環境、住生活環境、医療保健環境、公害又は薬物等、様々な分野において利用されている。取り分け、気体感知材は、動植物に対する有害ガスの検出及びモニタリング、住生活環境(室内環境)、医療保健環境、家電製品における保存環境(冷蔵庫/空気清浄機等)におけるVOCG(Volatile Organic Compounds Gas)の感知及び検出、並びに健康モニタリング技術として関心が高まっている。 Gas sensing materials are used in a variety of fields, including production environments, residential environments, medical and health environments, pollution, and drugs. In particular, interest in gas sensing materials is growing for the detection and monitoring of gases harmful to animals and plants, the detection and sensing of VOCGs (Volatile Organic Compounds Gas) in residential and living environments (indoor environments), medical and health environments, and storage environments for home appliances (refrigerators, air purifiers, etc.), as well as health monitoring technology.

近年、気体感知材は、様々な分野及び環境に合致させたものが提案されている。例えば、1)半導体金属酸化物、例えば、SnO2、TiO2等は、最も応用化されている感知材であり、動作温度が高温(300℃以上)領域で使用されるものである。2)導電性高分子、例えば、ポリピロール(PPy)、ポリアニリン(PANI)、ポリチオフェン(PTH)等は、室温(約25℃)近傍で使用可能であり、感知材設計容易性、加工容易性を有するものである。例えば、非特許文献1「Fabrication of polypyrrole-phenylalanine nano-films with NH3 gas sensitivity」では、アンモニア感受性を示す、フェニルアラニンと複合体化したポリピロール(PPy)フィルム及びその合成方法が開示されている。3)有機半導体(例えば、フタロシアニン)は、半導体材料としても知られている。 In recent years, gas sensing materials adapted to various fields and environments have been proposed. For example, 1) semiconducting metal oxides, such as SnO 2 and TiO 2 , are the most widely used sensing materials, and are used in the high temperature range (300° C. or higher). 2) Conductive polymers, such as polypyrrole (PPy), polyaniline (PANI), polythiophene (PTH), etc., can be used near room temperature (about 25° C.), and have ease of design and processing of sensing materials. For example, Non-Patent Document 1 "Fabrication of polypyrrole-phenylalanine nano-films with NH 3 gas sensitivity" discloses a polypyrrole (PPy) film complexed with phenylalanine that exhibits ammonia sensitivity, and a method for synthesizing the same. 3) Organic semiconductors (e.g., phthalocyanine) are also known as semiconductor materials.

近年、気体感知分野にあっては、高感度、高選択性、低温度から常温、水分存在、及び多湿下での使用稼働性が要求され、かつ、可撓性、薄膜化、小型化、簡便性、安価性を兼ね備えた気体感知材及びその製造方法が要求されている。 In recent years, the field of gas sensing has required high sensitivity, high selectivity, and the ability to be used at low to normal temperatures, in the presence of moisture, and under humid conditions. There is also a demand for gas sensing materials and methods for producing the same that are flexible, thin, compact, easy to use, and inexpensive.

従って、今尚、優れた多種多様な機能性を備えた気体感知材及び簡易及び低廉な気体感知材の製造方法の開発が要求されている。 Therefore, there is still a demand for the development of gas sensing materials with excellent and diverse functionality, as well as simple and inexpensive methods for manufacturing gas sensing materials.

「Fabrication of polypyrrole-phenylalanine nano-films with NH3 gas sensitivity」(Jin-Yeol Kim et.al、 Sensors and Actuators B: Chemical; Volume 153、 Issue 2、 20 April 2011、 Pages 421-426)“Fabrication of polypyrrole-phenylalanine nano-films with NH3 gas sensitivity” (Jin-Yeol Kim et.al, Sensors and Actuators B: Chemical; Volume 153, Issue 2, 20 April 2011, Pages 421-426)

本発明は、高感度、高選択性、広範な使用可動性を有する気体感知材及びその製造方法を提案する。 The present invention proposes a gas sensing material with high sensitivity, high selectivity, and a wide range of usability, and a method for producing the same.

〔本発明の一の態様〕
本発明は、その一の態様として以下のものを提案する。
〔1〕 気体感知材であって、
下記〔化学式I〕で表されるポリピロール誘導体と、炭素材料とを備えてなる、気体感知材。

〔前記化学式I中、
Aは、炭素数1~10個のアルキル基又はフェニル基であり、
Bは、水素原子、ハロゲン原子又はハロゲン化合物であり、
Sは、硫黄原子、窒素原子、酸素原子、又はこれら原子から構成される極性化合物であり、
A、B、及びSは、互いに異なる物質であり、
nは100以上100、000以下である。〕
〔2〕 気体感知材であって、
第1層と、第2層とを少なくとも備えてなり、
前記第1層又は前記第2層の何れか一方が下記〔化学式I〕で表されるポリピロール誘導体を含んでなり、
前記第1層又は前記第2層の何れか他方が炭素材料を含んでなる、気体感知材。

〔前記化学式I中、
Aは、炭素数1~10個のアルキル基又はフェニル基であり、
Bは、水素原子、ハロゲン原子又はハロゲン化合物であり、
Sは、硫黄原子、窒素原子、酸素原子、又はこれら原子から構成される極性化合物であり、
A、B、及びSは、互いに異なる物質であり、
nは100以上100、000以下である。〕
〔3〕 前記炭素材料が、天然又は合成の(立方晶系)ダイヤモン、ロンズデーライト、グラファイト、無定形炭素、ガラス状炭素、グラフェン、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノバッド、カーボンナノファイバー、カーボンナノフォーム、及びカルビンからなる群から選択される一種又は二種以上の組み合わせである、〔1〕又は〔2〕に記載の気体感知材。
〔4〕 前記〔化学式I〕で表される化合物と、前記炭素材料とが直接又は結合基を介して結合したものである、〔1〕~〔3〕の何れか一項に記載の気体感知材。
〔5〕 前記結合基が、二価の結合基であり、-(C2)m(mは1以上10以下)-、-O-、-S-、-OCH2-、-CH2O-、-CO-、-COO-、-OCO-、-CO-S-、-S-CO-、-O-CO-O-、-CO-NH-、-NH-CO-、-SCH2-、-CH2S-、-CF2O-、-OCF2-、-CF2S-、-SCF2-、-CH=CH-COO-、-CH=CH-OCO-、-COO-CH=CH-、-OCO-CH=CH-、-COO-CH2CH2-、-OCO-CH2CH2-、-CH2CH2-COO-、-CH2CH2-OCO-、-COO-CH2-、-OCO-CH2-、-CH2-COO-、-CH2-OCO-、-CH=CH-、-N=N-、-CH=N-N=CH-、-CF=CF-、及び-C≡C-からなる群から選択されてなる一種又は二種以上の組み合わせである、〔5〕に記載の気体感知材。
〔6〕 気体感知材であって、
下記〔化学式II〕で表される、ポリピロール誘導体とカーボンナノチューブとによる構造体を備えてなる、気体感知材。

〔前記化学式II中、
Aは、炭素数1~10個のアルキル基又はフェニル基であり、
Bは、水素原子、ハロゲン原子又はハロゲン化合物であり、
Sは、硫黄原子、窒素原子、酸素原子、又はこれら原子から構成される極性化合物であり、
A、B、及びSは、互いに異なる物質であり、
nは100以上100、000以下である。〕
〔7〕 気体が、窒素系化合物、アルコール、ケトン、又はアルデヒドである、〔1〕~〔6〕の何れか一項に記載の気体感知材。
〔8〕 気体が、チオール化合物である、〔1〕~〔6〕の何れか一項に記載の気体感知材。
〔9〕 気体感知材であって、
気体が、アンモニアであり、
前記〔化学式I〕及び前記〔化学式II〕中、
Aは、フェニル基であり、
Bは、水素原子、ハロゲン原子又はハロゲン化合物であり、
Sは、窒素原子又は窒素原子含有官能基であり、
A、B、及びSは、互いに異なる物質であり、
nは100以上100、000以下である、〔1〕~〔6〕の何れか一項に記載の気体感知材。
〔10〕 気体感知材であって、
気体がアセトンであり、
前記〔化学式I〕及び〔化学式II〕中、
Aは、メチル基又は酸素原子であり、
Bは、水素原子、又は硫黄原子であり、
Sは、-OH2+、-OH又は-COOHであり、
A、B、及びSは、互いに異なる物質であり、
nは100~100、000である、〔1〕~〔6〕の何れか一項に記載の気体感知材。
〔11〕 1気圧、10%以上100%以下の相対湿度で感知する、〔1〕~〔10〕の何れか一項に記載の気体感知材。
〔12〕 気体感知材であって、
下記〔化学式III〕で表される、ポリピロール誘導体とカーボンナノチューブとによる構造体を備えてなり、
気体が、アセトン、アンモニア、ホルムアルデヒド、又はメチルメルカプタンである、気体感知材。
〔化学式III〕
〔13〕 気体感知材であって、
下記〔化学式IV〕で表される、ポリピロール誘導体とカーボンナノチューブとによる構造体を備えてなり、
気体が、アセトンである、気体感知材。

〔14〕 1気圧、-50℃以上100℃以下の温度で感知する、〔1〕~〔13〕の何れか一項に記載の気体感知材。
〔15〕 気体センサーであって、
正極と、負極と、気体感知材とを備えてなり、
前記気体感知材が、〔1〕~〔14〕の何れか一項に記載されたものである、気体センサー。
〔16〕 気体感知材の製造方法であって、
(S1)共役系高分子単量体と、炭素材料と、遷移金属塩触媒と、乳化剤及び/又は分散剤と、機能性有機物質とを用意し、
(S2)炭素材料と、遷移金属塩と、乳化剤及び/又は分散剤とを混合して分散液を得てなり、
(S3)前記分散液に、前記共役系高分子単量体と、前記機能性有機物質とを添加し乳化重合させ、
(S4)重合生成物を精製分離し、前記気体感知材を得ることを含んでなる、製造方法。
〔17〕 〔1〕~〔14〕の何れか一項に記載の気体感知材であって、
前記気体感知材が、
(S1)共役系高分子単量体と、炭素材料と、遷移金属塩触媒と、乳化剤及び/又は分散剤と、機能性有機物質とを用意し、
(S2)炭素材料と、遷移金属塩と、乳化剤及び/又は分散剤とを混合して分散液を得てなり、
(S3)前記分散液に、前記共役系高分子単量体と、前記機能性有機物質とを添加し乳化重合させ、
(S4)重合生成物を精製分離する、ことによって得られるものである、気体感知材。
[One aspect of the present invention]
The present invention proposes the following as one aspect thereof.
[1] A gas sensing material comprising:
A gas sensing material comprising a polypyrrole derivative represented by the following chemical formula I and a carbon material.

[In the above chemical formula I,
A is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms or a phenyl group,
B is a hydrogen atom, a halogen atom or a halogen compound;
S is a sulfur atom, a nitrogen atom, an oxygen atom, or a polar compound composed of these atoms;
A, B, and S are different substances;
n is 100 or more and 100,000 or less.
[2] A gas sensing material comprising:
The coating composition comprises at least a first layer and a second layer,
Either the first layer or the second layer comprises a polypyrrole derivative represented by the following chemical formula I:
The gas sensing material, wherein the other of said first layer or said second layer comprises a carbon material.

[In the above chemical formula I,
A is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms or a phenyl group,
B is a hydrogen atom, a halogen atom or a halogen compound;
S is a sulfur atom, a nitrogen atom, an oxygen atom, or a polar compound composed of these atoms;
A, B, and S are different substances;
n is 100 or more and 100,000 or less.
[3] The gas sensing material according to [1] or [2], wherein the carbon material is one or a combination of two or more selected from the group consisting of natural or synthetic (cubic crystal system) diamond, lonsdaleite, graphite, amorphous carbon, glassy carbon, graphene, fullerene, carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanobud, carbon nanofiber, carbon nanofoam, and carbyne.
[4] The gas sensing material according to any one of [1] to [3], wherein the compound represented by [Chemical Formula I] and the carbon material are bonded directly or via a bonding group.
[5] The bonding group is a divalent bonding group, and is, for example, -(C 2 )m (m is 1 or more and 10 or less)-, -O-, -S-, -OCH 2 -, -CH 2 O-, -CO-, -COO-, -OCO-, -CO-S-, -S-CO-, -O-CO-O-, -CO-NH-, -NH-CO-, -SCH 2 -, -CH 2 S-, -CF 2 O-, -OCF 2 -, -CF 2 S-, -SCF 2 - , -CH=CH-COO-, -CH=CH-OCO-, -COO-CH=CH-, -OCO-CH=CH-, -COO-CH 2 CH 2 -, -OCO-CH 2 CH 2 -, -CH 2 CH 2 -COO-, -CH 2 CH 2 The gas sensing material according to [5], which is one or a combination of two or more selected from the group consisting of -OCO-, -COO- CH2- , -OCO- CH2- , -CH2 - COO-, -CH2-OCO-, -CH=CH-, -N=N-, -CH=N-N=CH-, -CF=CF-, and -C≡C-.
[6] A gas sensing material comprising:
A gas sensing material having a structure of a polypyrrole derivative and carbon nanotubes, represented by the following chemical formula II.

[In the above chemical formula II,
A is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms or a phenyl group,
B is a hydrogen atom, a halogen atom or a halogen compound;
S is a sulfur atom, a nitrogen atom, an oxygen atom, or a polar compound composed of these atoms;
A, B, and S are different substances;
n is 100 or more and 100,000 or less.
[7] The gas sensing material according to any one of [1] to [6], wherein the gas is a nitrogen-based compound, an alcohol, a ketone, or an aldehyde.
[8] The gas-sensing material according to any one of [1] to [6], wherein the gas is a thiol compound.
[9] A gas sensing material comprising:
The gas is ammonia,
In the above [Chemical Formula I] and the above [Chemical Formula II],
A is a phenyl group;
B is a hydrogen atom, a halogen atom or a halogen compound;
S is a nitrogen atom or a nitrogen-containing functional group;
A, B, and S are different substances;
The gas sensing material according to any one of [1] to [6], wherein n is 100 or more and 100,000 or less.
[10] A gas sensing material comprising:
The gas is acetone,
In the above [Chemical Formula I] and [Chemical Formula II],
A is a methyl group or an oxygen atom;
B is a hydrogen atom or a sulfur atom;
S is -OH , -OH or -COOH;
A, B, and S are different substances;
The gas sensing material according to any one of [1] to [6], wherein n is 100 to 100,000.
[11] The gas sensing material according to any one of [1] to [10], which senses at 1 atmospheric pressure and a relative humidity of 10% or more and 100% or less.
[12] A gas sensing material comprising:
The present invention has a structure of a polypyrrole derivative and carbon nanotubes represented by the following [chemical formula III],
The gas sensing material, wherein the gas is acetone, ammonia, formaldehyde, or methyl mercaptan.
[Chemical Formula III]
[13] A gas sensing material comprising:
The present invention has a structure of a polypyrrole derivative and carbon nanotubes represented by the following chemical formula IV:
The gas sensing material, wherein the gas is acetone.

[14] The gas sensing material according to any one of [1] to [13], which senses at 1 atmospheric pressure and at a temperature of -50°C or higher and 100°C or lower.
[15] A gas sensor comprising:
The device comprises a positive electrode, a negative electrode, and a gas sensing material,
A gas sensor, wherein the gas sensing material is as described in any one of [1] to [14].
[16] A method for producing a gas sensing material, comprising the steps of:
(S1) preparing a conjugated polymer monomer, a carbon material, a transition metal salt catalyst, an emulsifier and/or a dispersant, and a functional organic substance;
(S2) A carbon material, a transition metal salt, and an emulsifier and/or a dispersant are mixed to obtain a dispersion,
(S3) adding the conjugated polymer monomer and the functional organic substance to the dispersion liquid and carrying out emulsion polymerization;
(S4) purifying and separating the polymerization product to obtain the gas sensing material.
[17] The gas sensing material according to any one of [1] to [14],
The gas sensing material is
(S1) preparing a conjugated polymer monomer, a carbon material, a transition metal salt catalyst, an emulsifier and/or a dispersant, and a functional organic substance;
(S2) A carbon material, a transition metal salt, and an emulsifier and/or a dispersant are mixed to obtain a dispersion,
(S3) adding the conjugated polymer monomer and the functional organic substance to the dispersion liquid and carrying out emulsion polymerization;
(S4) A gas sensing material obtained by purifying and separating the polymerization product.

本発明による気体感知材によれば、高感度、高選択性、広範な使用可動性、小型化、及び小電力化を実現することができる。 The gas sensing material of the present invention can achieve high sensitivity, high selectivity, a wide range of use possibilities, compact size, and low power consumption.

特に、本発明による気体感知材によれば、ナノサイズの粒子体又は棒状体として構成され、特定の気体を高い選択性をもって感知する。また、下記化学式Iにおける官能基A、B、及びS(気体感知機能基とも云う)が炭素材料に結合して存在することから、特定気体の感知性を向上させることが可能となる。 In particular, the gas sensing material according to the present invention is configured as nano-sized particles or rods, and senses specific gases with high selectivity. In addition, since the functional groups A, B, and S (also called gas sensing functional groups) in the following chemical formula I are bonded to the carbon material, it is possible to improve the sensitivity to specific gases.

また、本発明による気体感知材は薄膜(フィルム)化が容易であり、気体感知薄膜材として、十分な導電性で有し、数μA程度の微細な電流の抵抗でも十分に微量の気体成分を感知することができる鋭敏性をも兼ね備えている。 In addition, the gas sensing material of the present invention can be easily formed into a thin film, and as a gas sensing thin film material, it has sufficient conductivity and is sensitive enough to detect minute amounts of gas components even with a minute current resistance of about a few μA.

さらに、前記気体感知機能基の存在により、特定気体成分に対する高い選択性を付与し、1PPM以下の極微量の気体成分でも感知することができるという機能を有する。そして、本発明による気体感知材は、低温度から高温度領域、例えば、-50℃以上150℃以下、取り分け、一般的な使用時の温度(0℃以上40℃以下、特に、室温約25℃近傍)において、気体感知性を発揮することができる。そして、本発明による気体感知材は、高い湿度条件(相対湿度10%以上100%以下)でも安定的な感知性能を維持するということができるとの効果を発揮させることができる。また、これらナノセンシング構造物は水溶液又はアルコール等のような有機溶剤に分散した状態で存在するため、基材上に簡単にキャスティングすることができ、薄い薄膜を容易に生成できるという加工工程での便利性を有する。 Furthermore, the presence of the gas sensing functional group provides high selectivity for specific gas components, and has the function of being able to sense even extremely small amounts of gas components of 1 ppm or less. The gas sensing material of the present invention can exhibit gas sensing properties in low to high temperature ranges, for example, from -50°C to 150°C, particularly at temperatures in general use (from 0°C to 40°C, particularly around room temperature of about 25°C). The gas sensing material of the present invention can exhibit the effect of maintaining stable sensing performance even under high humidity conditions (relative humidity of 10% to 100%). In addition, since these nanosensing structures exist in a state of dispersion in an aqueous solution or an organic solvent such as alcohol, they can be easily cast onto a substrate, and are convenient in the processing step in that a thin film can be easily produced.

本発明による製造方法によれば、簡便性、小型化、安価性を兼ね備えた気体感知材を得ることができる。特に、本発明による製造方法によれば、共役系高分子に、官能基(気体感知機能基)A、B、及びSを容易に導入させ、かつ、炭素材料(主として導電性を発揮する)と組み合わせることにより、電子移動チャンネルを確立し、外部から接触される気体成分に対して十分に接触反応(感知)を実現させることができる。特に、特定気体成分(窒素系物質、例えば、アンモニア)の接触により、電流密度を変化させることで特定気体成分に対する鋭敏性を実現させることが可能となる。 The manufacturing method of the present invention makes it possible to obtain a gas sensing material that is simple, compact, and inexpensive. In particular, the manufacturing method of the present invention makes it possible to easily introduce functional groups (gas sensing functional groups) A, B, and S into a conjugated polymer, and by combining it with a carbon material (which mainly exhibits electrical conductivity), an electron transfer channel can be established, and sufficient contact reaction (sensing) can be achieved for gas components that come into contact with it from the outside. In particular, it is possible to achieve sensitivity to a specific gas component by changing the current density upon contact with a specific gas component (nitrogen-based substance, for example, ammonia).

図1は気体感知材を備えた気体センサーを示した概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram showing a gas sensor equipped with a gas sensing material. 図2は気体感知材の表面構造を示した概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the surface structure of the gas sensing material. 図3は特定気体感知機能基が表面に結合したポリピロールとカーボンナノチューブとのキャッピングによって結合した気体感知材を示した概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing a gas-sensing material in which polypyrrole having a specific gas-sensing functional group bound to its surface is combined with carbon nanotubes by capping. 図4は本発明による気体感知材のナノ粒子を拡大撮影したSEM画像である。FIG. 4 is a magnified SEM image of nanoparticles of the gas sensing material according to the present invention. 図5は本発明による気体感知材のナノチューブを拡大撮影したSEM画像である。FIG. 5 is a magnified SEM image of the nanotubes of the gas sensing material according to the present invention. 図6は本発明による気体感知センサーのガス応答を表す抵抗変化を記載したものである。FIG. 6 shows the resistance change indicating the gas response of the gas sensor according to the present invention. 図7は炭素材を用いていない気体感知センサーのガス応答を表す抵抗変化を記載したものである。FIG. 7 shows the resistance change indicating the gas response of a gas sensing sensor that does not use a carbon material. 図8はアンモニアガスの感知性能を評価したグラフである。FIG. 8 is a graph showing the evaluation of the sensing performance for ammonia gas. 図9は加湿下でアンモニアガスの応答性能を評価したグラフである。FIG. 9 is a graph showing the evaluation of the response performance of ammonia gas under humidification. 図10は加湿下でアンモニアガスの応答性能を評価したグラフである。FIG. 10 is a graph evaluating the response performance of ammonia gas under humidification. 図11は、相対湿度50%及び70%で測定した、アンモニアガスの応答性能を評価したグラフである。FIG. 11 is a graph evaluating the response performance of ammonia gas measured at relative humidity of 50% and 70%. 図12は、加湿下、実施例と比較例におけるアンモニアガスの応答性能を評価したグラフである。FIG. 12 is a graph evaluating the response performance of ammonia gas under humidified conditions in the examples and comparative examples. 図13は、本発明による気体感知センサーのアセトンガス応答を表す抵抗変化を記載したものである。FIG. 13 illustrates the resistance change representing the response of the gas sensor of the present invention to acetone gas. 図14は、本発明による気体感知センサーのアセトンガス応答を表す抵抗変化を記載したものである。FIG. 14 illustrates the resistance change representing the response of the gas sensor of the present invention to acetone gas. 図15は、本発明による気体感知センサーのアンモニアガス応答を表す抵抗変化を記載したものである。FIG. 15 illustrates the resistance change representing the response of the gas sensor of the present invention to ammonia gas. 図16は、本発明による気体感知センサーのアンモニアガス応答を表す抵抗変化を記載したものである。FIG. 16 illustrates the resistance change representing the response of the gas sensor of the present invention to ammonia gas. 図17は、本発明による気体感知センサーのホルムアルデヒドガス応答を表す抵抗変化を記載したものである。FIG. 17 illustrates the resistance change representative of the formaldehyde gas response of the gas sensor according to the present invention. 図18は、本発明による気体感知センサーのホルムアルデヒドガス応答を表す抵抗変化を記載したものである。FIG. 18 illustrates the resistance change representative of the formaldehyde gas response of the gas sensor according to the present invention. 図19は、本発明による気体感知センサーのメチルメルカプタンガス応答を表す抵抗変化を記載したものである。FIG. 19 illustrates the resistance change representative of the response of a gas sensor according to the present invention to methyl mercaptan gas.

〔気体感知材〕
気体感知材は、その名称「感知」に拘泥することなく、気体を感知、検知、検出、確認等する材、例えば、気体感知材、気体検知材、気体検出材、気体確認材等の全ての範疇のものを包含する概念である。
[Gas sensing material]
The gas sensing material is a concept that encompasses all categories of materials that sense, detect, detect, confirm, etc. gas, without being bound by the word "sensing" in the name, such as gas sensing materials, gas detection materials, gas detection materials, gas confirmation materials, etc.

本発明の一の態様では、気体感知材であって、下記〔化学式I〕で表されるポリピロールと、炭素材料とを備えてなるものである。
本発明による気体感知材は、高感度、高選択性、広範な使用可動性、薄膜化、可撓性を備えたものであり、感知デバイスとした際に、小型化、及び小電力化等を図ることも可能である。
One aspect of the present invention is a gas sensing material comprising polypyrrole represented by the following chemical formula I and a carbon material.
The gas sensing material of the present invention has high sensitivity, high selectivity, a wide range of usable mobility, thin film thickness, and flexibility, and when used in a sensing device, it is possible to achieve miniaturization and low power consumption.

本発明の一の態様では、気体感知材であって、
第1層と、第2層とを少なくとも備えてなり、
前記第1層又は前記第2層の何れか一方が下記〔化学式I〕で表される化合物を含んでなり、
前記第1層又は前記第2層の何れか他方が炭素材料を含んでなるものを提案することができる。
In one aspect of the present invention, there is provided a gas sensing material comprising:
The coating composition comprises at least a first layer and a second layer,
Either the first layer or the second layer comprises a compound represented by the following chemical formula I:
It can be proposed that either the first layer or the second layer, the other of which comprises a carbon material.

〔化学式I〕で表される化合物
本発明にあっては、下記〔化学式I〕で表されるポリピロール誘導体、即ち、官能基(気体感知機能基)A、B、Sを有するポリピロール誘導体を用いる。この化合物は、気体感知材材料として、高感度、高選択性、及び広範な使用可動性を付与するものである。
Compound represented by [Chemical Formula I] In the present invention, a polypyrrole derivative represented by the following [Chemical Formula I], that is, a polypyrrole derivative having functional groups (gas sensing functional groups) A, B, and S, is used. This compound imparts high sensitivity, high selectivity, and a wide range of usability as a gas sensing material.

前記化学式I中、
Aは、炭素数1~10個のアルキル基又はフェニル基であり、
Bは、水素原子、ハロゲン原子又はハロゲン化合物であり、
Sは、硫黄原子、窒素原子、酸素原子、又はこれら原子から構成される極性化合物であり、
A、B、及びSは、互いに異なる物質であり、
nは100以上100、000以下である。
In the above formula I,
A is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms or a phenyl group,
B is a hydrogen atom, a halogen atom or a halogen compound;
S is a sulfur atom, a nitrogen atom, an oxygen atom, or a polar compound composed of these atoms;
A, B, and S are different substances;
n is equal to or greater than 100 and equal to or less than 100,000.

前記Aにおいて、炭素数1~10個のアルキル基は、例えば、CH3-、CH3CH2-、又はこれらの組み合せが挙げられる。また、前記フェニル基としては、C65-、C65CH2-、又はこれらの組み合せが挙げられる。 In the above A, examples of the alkyl group having 1 to 10 carbon atoms include CH 3 --, CH 3 CH 2 --, and combinations thereof, and examples of the phenyl group include C 6 H 5 --, C 6 H 5 CH 2 --, and combinations thereof.

前記Bにおいて、ハロゲン原子は、周期表の17族に属する、フッ素原子(F)、塩素原子(Cl)、臭素原子(Br)、ヨウ素原子(I)、及びアスタチン原子(At)からなる群から選択される一種又は二種以上の組み合わせが挙げられ、好ましくは、フッ素原子(F)、塩素原子(Cl)、及び臭素原子(Br)からなる群から選択される一種又は二種以上の組み合わせが挙げられる。 In the above B, the halogen atom may be one or a combination of two or more selected from the group consisting of fluorine atom (F), chlorine atom (Cl), bromine atom (Br), iodine atom (I), and astatine atom (At), which belong to group 17 of the periodic table, and preferably one or a combination of two or more selected from the group consisting of fluorine atom (F), chlorine atom (Cl), and bromine atom (Br).

前記Bにおいて、ハロゲン化合物は、例えば、H-、Cl-、及びF-からなる群から選択される一種又は二種以上の組み合わせが挙げられ、好ましくは、前記Aの機能と相違させるために、光学異性体の構造を有する異種の化合物で構成し、分子構造の配列又は方向性を付与する。 In the above B, the halogen compound may be, for example, one or a combination of two or more selected from the group consisting of H-, Cl-, and F-. Preferably, in order to differentiate the function from that of A, it is composed of different compounds having optical isomer structures, and imparts an alignment or directionality to the molecular structure.

前記Sにおいて、硫黄原子、窒素原子、又は酸素原子から構成される極性化合物としては、例えば、-O-、-OCH2-、-CO-、-COO-、CO-NH-、-CH=CH-COO-、-OCO-CH2-、-C=O、-NH3、-OH2+、-OH、及び-COOHからなる群から選択される一種又は二種以上の組み合わせが挙げられる。これらの基からなる前記Sの分子構造に基づいて、気体成分の選択性を区別するとの特徴を有する。例えば-NH3はアンモニアガス成分から選択的に感度があり、-C=O、-CH=CH-COO-、又は-COOHはアセトン又はアルデヒド(好ましくは、フォルムアルデヒド)等のガス成分に高い感度を持つことができる。無論、これらの記述は例示的であって、本発明にあっては、特定気体に対する前記Sの選択性又は官能性に限定して解釈されるものではない。 In the S, examples of polar compounds composed of sulfur, nitrogen, or oxygen atoms include one or more combinations selected from the group consisting of -O-, -OCH 2 -, -CO-, -COO-, CO-NH-, -CH=CH-COO-, -OCO-CH 2 -, -C=O, -NH 3 , -OH 2+ , -OH, and -COOH. The selectivity of gas components is distinguished based on the molecular structure of the S composed of these groups. For example, -NH 3 is selectively sensitive to ammonia gas components, and -C=O, -CH=CH-COO-, or -COOH can have high sensitivity to gas components such as acetone or aldehyde (preferably formaldehyde). Of course, these descriptions are illustrative, and the present invention is not limited to the selectivity or functionality of the S for a specific gas.

特に、気体感知材は図3に示すように、ナノ物質の表面構造における官能基SとAの構造は、検出するガスの選択性を決定するものとして機能する。そして、官能基SとAの基本構造は、カルボキシ基、アルコール基、ケトン基、アミン基、フェニル、及びC1-C6化合物を含むことができる。官能基SとAは互いに異なる物質で光学異性体としての構造的特性を持つことで構成されることが好ましい。 In particular, the structure of the functional groups S and A in the surface structure of the nano-substance determines the selectivity of the gas to be detected, as shown in Figure 3. The basic structure of the functional groups S and A can include a carboxyl group, an alcohol group, a ketone group, an amine group, a phenyl, and a C1 -C6 compound . It is preferable that the functional groups S and A are composed of different substances having structural characteristics as optical isomers.

nは100以上100,000以下であり、好ましくは1,000以上10,000以下である。 n is 100 or more and 100,000 or less, and preferably 1,000 or more and 10,000 or less.

(炭素材料)
炭素材料は、炭素原子により構成されてなるものであり、主として、炭素の同素体が用いられる。炭素材料は、気体感知材材料として、高導電性を付与し、高感知性を実現させるものである。
(Carbon materials)
Carbon materials are made up of carbon atoms, and mainly allotropes of carbon are used. Carbon materials, as gas sensing materials, impart high electrical conductivity and realize high sensing properties.

炭素材料は、例えば、天然又は合成の(立方晶系)ダイヤモン、ロンズデーライト(天然又は合成の六方晶ダイヤモンド)、グラファイト(板状のグラフェン積層体;例えば、黒鉛、石墨)、無定形炭素(木炭、活性炭、カーボンブラック又はアセチレンブラック等の炭素粉体)、ガラス状炭素、グラフェン、フラーレン(球状のグラフェン構造体)、カーボンナノチューブ(円筒状のグラフェン構造体)、カーボンナノホーン(円筒状のグラフェン構造体)、カーボンナノバッド、カーボンナノファイバー、カーボンナノフォーム、及びカルビンからなる群から選択される一種又は二種以上の組み合わせが挙げられる。 Examples of the carbon material include one or a combination of two or more selected from the group consisting of natural or synthetic (cubic crystal system) diamond , lonsdaleite (natural or synthetic hexagonal crystal diamond), graphite (plate-like graphene laminate; for example, graphite, graphite), amorphous carbon (carbon powder such as charcoal, activated carbon, carbon black, or acetylene black), glassy carbon, graphene, fullerene (spherical graphene structure), carbon nanotube (cylindrical graphene structure), carbon nanohorn (cylindrical graphene structure), carbon nanobud, carbon nanofiber, carbon nanofoam, and carbyne.

本発明にあっては、炭素材料は、グラファイト、無定形炭素、ガラス状炭素、グラフェン、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノバッド、カーボンナノファイバー、及びカーボンナノフォーム等からなる群から選択される一種又は二種以上の組み合わせが挙げられる。好ましくは、炭素材料は、グラファイト、無定形炭素、グラフェン、フラーレン、カーボンナノチューブ(好ましくは、単一壁カーボンナノチューブ)、カーボンナノホーン、カーボンナノバッド、カーボンナノファイバー、及びカーボンナノフォームからなる群から選択される一種又は二種以上の組み合わせが挙げられる。より好ましくは、炭素材料は、グラフェン、フラーレン、カーボンナノチューブ(好ましくは、単一壁カーボンナノチューブ)、カーボンナノホーン、カーボンナノバッド、カーボンナノファイバー、及びカーボンナノフォームからなる群から選択される一種又は二種以上の組み合わせが挙げられる。 In the present invention, the carbon material may be one or a combination of two or more selected from the group consisting of graphite, amorphous carbon, glassy carbon, graphene, fullerene, carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanobud, carbon nanofiber, and carbon nanofoam. Preferably, the carbon material may be one or a combination of two or more selected from the group consisting of graphite, amorphous carbon, graphene, fullerene, carbon nanotube (preferably single-walled carbon nanotube), carbon nanohorn, carbon nanobud, carbon nanofiber, and carbon nanofoam. More preferably, the carbon material may be one or a combination of two or more selected from the group consisting of graphene, fullerene, carbon nanotube (preferably single-walled carbon nanotube), carbon nanohorn, carbon nanobud, carbon nanofiber, and carbon nanofoam.

(化学結合)
本発明の一の態様によれば、前記〔化学式I〕で表される化合物と、前記炭素材料とが直接又は結合基を介して結合(化学結合、物理結合又はこれらの混合結合、好ましくは化学結合)したものが好ましい。
(Chemical Bond)
According to one aspect of the present invention, it is preferable that the compound represented by the chemical formula I is bonded to the carbon material directly or via a bonding group (by a chemical bond, a physical bond, or a mixed bond thereof, preferably a chemical bond).

前記結合基は、二価の結合基であり、-(C2)m〔mは1以上10以下〕-、-O-、-S-、-OCH2-、-CH2O-、-CO-、-COO-、-OCO-、-CO-S-、-S-CO-、-O-CO-O-、-CO-NH-、-NH-CO-、-SCH2-、-CH2S-、-CF2O-、-OCF2-、-CF2S-、-SCF2-、-CH=CH-COO-、-CH=CH-OCO-、-COO-CH=CH-、-OCO-CH=CH-、-COO-CH2CH2-、-OCO-CH2CH2-、-CH2CH2-COO-、-CH2CH2-OCO-、-COO-CH2-、-OCO-CH2-、-CH2-COO-、-CH2-OCO-、-CH=CH-、-N=N-、-CH=N-N=CH-、-CF=CF-、及び-C≡C-からなる群から選択されてなる一種又は二種以上の組み合わせが挙げられる。 The bonding group is a divalent bonding group, and is, for example, -(C 2 )m [m is 1 or more and 10 or less]-, -O-, -S-, -OCH 2 -, -CH 2 O-, -CO-, -COO-, -OCO-, -CO-S-, -S-CO-, -O-CO-O-, -CO-NH-, -NH-CO-, -SCH 2 -, -CH 2 S-, -CF 2 O- , -OCF 2 -, -CF 2 S-, -SCF 2 -, -CH=CH-COO-, -CH=CH-OCO-, -COO-CH=CH-, -OCO-CH=CH-, -COO-CH 2 CH 2 -, -OCO-CH 2 CH 2 -, -CH 2 CH 2 -COO-, -CH 2 CH 2 Examples thereof include one or a combination of two or more selected from the group consisting of -OCO-, -COO - CH2- , -OCO- CH2- , -CH2 -COO-, -CH2-OCO-, -CH=CH-, -N=N-, -CH=N-N=CH-, -CF=CF-, and -C≡C-.

(感知条件)
本発明による気体感知材は、気圧は1気圧以上5気圧以下であり、好ましくは1気圧、常圧である。相対湿度は好ましくは10%以上100%以下であり、20%以上60%以下である。温度は好ましくは-50℃以上100℃以下の温度であり、10℃以上40℃以下である。また、これらの感知条件の組み合わせにおいて、気体を感知し検出する。特に、本発明にあっては、生体内呼吸排出気体の検出に使用される。
(Sensing conditions)
The gas sensing material according to the present invention is subjected to an atmospheric pressure of 1 to 5 atmospheres, preferably 1 atmosphere or normal pressure. The relative humidity is preferably 10% to 100%, and 20% to 60%. The temperature is preferably -50°C to 100°C, and 10°C to 40°C. Gas is sensed and detected under a combination of these sensing conditions. In particular, in the present invention, the gas sensing material is used to detect gases emitted by respiratory exhalation in a living body.

(気体:X群)
感知する気体(ガス)は、窒素系化合物、アルコール、ケトン、又は、アルデヒドが挙げられ、好ましくは、アンモニア、ウレア、アセトン、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド又は炭素数1~5のアルコールである。
(Gas: X group)
The gas to be sensed may be a nitrogen-based compound, an alcohol, a ketone, or an aldehyde, and is preferably ammonia, urea, acetone, formaldehyde, acetaldehyde, or an alcohol having 1 to 5 carbon atoms.

(他の気体:Y群)
本発明にあっては、感知する気体(ガス)は、チオール化合物(メルカプタン化合物)が挙げられ、具体的には、炭素数1~5のアルキルメルカプタンであり、好ましくはメチルメルカプタン、エチルメルカプタンである。
(Other gases: Y group)
In the present invention, the gas to be sensed is a thiol compound (mercaptan compound), specifically an alkyl mercaptan having 1 to 5 carbon atoms, preferably methyl mercaptan or ethyl mercaptan.

本発明による気体感知材は、前記広範な感知条件下において、1PPM以下レベルでの気体感知が可能であり優れた高感度性を達成でき、-50℃以上100℃以下、特に室温で気体感知することができ、相対湿度は10%以上100%以下で高感度性を実現し、500nmオーダー以下程度の薄膜化と低抵抗性を実現することが可能となる。 The gas sensing material of the present invention is capable of detecting gases at a level of 1 PPM or less under the above-mentioned wide range of sensing conditions, achieving excellent high sensitivity, and is capable of detecting gases at temperatures between -50°C and 100°C, particularly at room temperature, achieving high sensitivity at relative humidity between 10% and 100%, and making it possible to achieve thin films of the order of 500 nm or less and low resistance.

(製造例)
本発明の第1の態様によれば、気体感知材は、前記〔化学式I〕で表される化合物と、炭素材料とを混合することにより得られる。本発明の第2の態様によれば、気体感知材は、前記〔化学式I〕で表される化合物を含んでなる第1層又は第2層と、炭素材料を含んでなる第1層又は第2層と、をそれぞれ形成し、その後に形成させることにより得られる。また、本発明の第3の態様によれば、気体感知材は、前記〔化学式I〕で表される化合物と、炭素材料とを用意し、前記〔化学式I〕で表される化合物と、前記炭素材料とを直接又は結合基を介して化学結合させた複合体として得られる。製造方法の詳細は後記する。
(Production example)
According to the first aspect of the present invention, the gas sensing material is obtained by mixing the compound represented by the [chemical formula I] with a carbon material. According to the second aspect of the present invention, the gas sensing material is obtained by forming a first layer or a second layer containing the compound represented by the [chemical formula I] and a first layer or a second layer containing a carbon material, respectively, and then forming a second layer. According to the third aspect of the present invention, the gas sensing material is obtained as a complex by preparing the compound represented by the [chemical formula I] and a carbon material, and chemically bonding the compound represented by the [chemical formula I] with the carbon material directly or via a bonding group. The details of the manufacturing method will be described later.

〔気体感知材の態様:X群〕
本発明の一の態様によれば、気体感知材は、下記〔化学式II〕で表されるポリピロール誘導体(〔化学式I〕で表されたものである)とカーボンナノチューブとにより構成されてなるものが提案される。
[Gas sensing material: Group X]
According to one aspect of the present invention, a gas sensing material is proposed which is composed of a polypyrrole derivative (represented by [Chemical Formula I]) represented by the following [Chemical Formula II] and carbon nanotubes.

前記化学式II中、
A、B、S、及び、nは、化学式Iで定義されたのと同様である。
In the above formula II,
A, B, S, and n are as defined in Formula I.

前記化学式IIによる気体感知材は、前記化学式Iで表されたポリピロール誘導体と、カーボンナノチューブ(好ましくは、単一壁カーボンナノチューブ)とがカルボニル基を介して結合してなるものである。 The gas sensing material represented by the above chemical formula II is formed by bonding the polypyrrole derivative represented by the above chemical formula I to a carbon nanotube (preferably a single-walled carbon nanotube) via a carbonyl group.

〔アンモニア気体感知材〕
本発明の一の態様によれば、(アンモニア)気体感知材であって、
気体がアンモニアであり、
前記化学式I及び化学式II中、
Aは、フェニル基であり、
Bは、水素原子、ハロゲン原子又はハロゲン化合物であり、
Sは、窒素原子又は窒素原子含有官能基であり、
A、B、及びSは、互いに異なる物質であり、
nは100~100、000である、気体感知材を提案する。
[Ammonia gas sensing material]
According to one aspect of the present invention, there is provided an (ammonia) gas sensing material, comprising:
The gas is ammonia,
In the above formula I and formula II,
A is a phenyl group;
B is a hydrogen atom, a halogen atom or a halogen compound;
S is a nitrogen atom or a nitrogen-containing functional group;
A, B, and S are different substances;
A gas sensing material is proposed, where n is 100 to 100,000.

前記Bにおいて、ハロゲン原子又はハロゲン化合物及び前記nは前記化学式Iにおいて定義したのと同様である。
前記Sにおいて、窒素原子含有官能基は、アミノ基、イミノ基、ニトロ基、ニトロソ基、アゾ基、ヒドラゾ基、ジアゾ基、及びシアノ基からなる群から選択されてなる一種又は二種以上の組み合わせが挙げられ、好ましくは、アミノ基、イミノ基、ニトロ基、ニトロソ基、アゾ基、ヒドラゾ基、ジアゾ基、及びシアノ基からなる群から選択されてなる一種又は二種以上の組み合わせが挙げられる。
In the above B, the halogen atom or halogen compound and the n are the same as defined in the above Chemical Formula I.
In the above S, the nitrogen atom-containing functional group can be one or a combination of two or more selected from the group consisting of an amino group, an imino group, a nitro group, a nitroso group, an azo group, a hydrazo group, a diazo group, and a cyano group, and preferably one or a combination of two or more selected from the group consisting of an amino group, an imino group, a nitro group, a nitroso group, an azo group, a hydrazo group, a diazo group, and a cyano group.

(感知条件)
本発明による気体感知材は、気圧は1気圧以上5気圧以下であり、好ましくは常圧である。相対湿度は0%以上(良くは10%以上)100%以下であり、好ましくは20%以上60%以下である。温度は-30℃以上100℃以下の温度であり、好ましくは10℃以上40℃以下である。また、これらの組み合わせにおいて、アンモニア気体を感知し検出する。特に、本発明にあっては、生体内呼吸排出気体の感知に使用される。
(Sensing conditions)
The gas sensing material according to the present invention has an atmospheric pressure of 1 to 5 atmospheres, preferably normal pressure, a relative humidity of 0% to 100%, preferably 20% to 60%, a temperature of -30°C to 100°C, preferably 10°C to 40°C, and ammonia gas is sensed and detected in these combinations. Particularly, in the present invention, it is used to sense gases emitted by respiratory exhalation in a living body.

〔アセトン気体感知材〕
本発明の一の態様によれば、(アセトン)気体感知材であって、
気体がアセトンであり、
前記化学式I及び化学式II中、
Aは、メチル基又は酸素原子であり、
Bは、水素原子、又は硫黄原子であり、
Sは、-OH2+、-OH又は-COOHであり、
A、B、及びSは、互いに異なる物質であり、
nは100~100、000である、気体感知材を提案する。
[Acetone gas sensing material]
According to one aspect of the present invention, there is provided an (acetone) gas sensing material comprising:
The gas is acetone,
In the above formula I and formula II,
A is a methyl group or an oxygen atom;
B is a hydrogen atom or a sulfur atom;
S is -OH , -OH or -COOH;
A, B, and S are different substances;
A gas sensing material is proposed, where n is 100 to 100,000.

(感知条件)
前記気体感知材は、気圧は1気圧以上5気圧以下であり、好ましくは常圧である。相対湿度は0%以上(良くは10%以上)100%以下であり、好ましくは20%以上60%以下である。温度は-30℃以上100℃以下の温度であり、好ましくは10℃以上40℃以下である。また、これらの組み合わせにおいて、アンモニア気体を感知し検出する。特に、本発明にあっては、生体内呼吸排出気体の感知に使用される。
(Sensing conditions)
The gas sensing material has an atmospheric pressure of 1 to 5 atmospheres, preferably normal pressure, a relative humidity of 0% to 100%, preferably 20% to 60%, and a temperature of -30°C to 100°C, preferably 10°C to 40°C. In addition, ammonia gas is sensed and detected in these combinations. Particularly, in the present invention, it is used to sense gases emitted by respiratory exhalation in a living body.

〔気体感知材の一の態様:Y群〕
〔気体感知材〕
本発明の一の態様によれば、気体感知材であって、
下記〔化学式III〕で表される、ポリピロール誘導体とカーボンナノチューブとによる構造体を備えてなり、
気体が、アセトン、アンモニア、ホルムアルデヒド、又はメチルメルカプタンである、気体感知材を提案する。
[One embodiment of gas sensing material: Group Y]
[Gas sensing material]
According to one aspect of the present invention, there is provided a gas sensing material, comprising:
The present invention has a structure of a polypyrrole derivative and carbon nanotubes represented by the following [chemical formula III],
A gas sensing material is proposed in which the gas is acetone, ammonia, formaldehyde, or methyl mercaptan.

(感知条件)
本発明による気体感知材は、気圧は1気圧以上5気圧以下であり、好ましくは常圧である。温度は-30℃以上100℃以下の温度であり、好ましくは10℃以上40℃以下である。また、これらの組み合わせにおいて、アセトン、アンモニア、ホルムアルデヒド、又はメチルメルカプタンの各気体を感知し検出する。
(Sensing conditions)
The gas sensing material according to the present invention has an atmospheric pressure of 1 to 5 atmospheres, preferably normal pressure, and a temperature of -30° C. to 100° C., preferably 10° C. to 40° C. In addition, in these combinations, each of the gases acetone, ammonia, formaldehyde, and methyl mercaptan is sensed and detected.

〔(アセトン)気体感知材〕
本発明の一の態様によれば、(アセトン)気体感知材であって、
下記〔化学式IV〕で表される、ポリピロール誘導体とカーボンナノチューブとによる構造体を備えてなり、
気体が、アセトンである、気体感知材を提案する。
[(Acetone) Gas Sensing Material]
According to one aspect of the present invention, there is provided an (acetone) gas sensing material comprising:
The present invention has a structure of a polypyrrole derivative and carbon nanotubes represented by the following chemical formula IV:
A gas sensing material is proposed in which the gas is acetone.

(感知条件)
本発明による気体感知材は、気圧は1気圧以上5気圧以下であり、好ましくは常圧である。温度は-30℃以上100℃以下の温度であり、好ましくは10℃以上40℃以下である。また、これらの組み合わせにおいて、アセトンを感知し検出する。
(Sensing conditions)
The gas sensing material according to the present invention is subjected to an atmospheric pressure of 1 to 5 atmospheres, preferably normal pressure, and a temperature of -30° C. to 100° C., preferably 10° C. to 40° C. In addition, in these combinations, acetone is sensed and detected.

〔気体センサー:気体感知素子〕
本発明にあっては、電極と、本発明による気体感知材とを備えてなる、気体センサー(気体感知素子)を提案することができる。
本発明による気体センサーは、図1に示す通り、本発明による気体感知材を透明薄膜(フィルム)として構成し、透明電極に挟持して、構成することができる。
本発明による気体センサーは気体感知装置を構成する主たる構成材となる。特に、本発明にあっては、ガス、圧力、接触、及び温度等の多機能の感知センサーの一つとして採用され、活用されるものである。
[Gas sensor: gas sensing element]
The present invention can propose a gas sensor (gas sensing element) comprising an electrode and the gas sensing material of the present invention.
The gas sensor according to the present invention can be constructed by forming the gas sensing material according to the present invention into a transparent thin film and sandwiching it between transparent electrodes, as shown in FIG.
The gas sensor according to the present invention is a main component of a gas sensing device, and is particularly used as one of the multi-function sensors for sensing gas, pressure, contact, temperature, etc.

〔気体感知材の製造方法〕
本発明の一の態様では、本発明による気体感知材の製造方法であって、
(S1)共役系高分子単量体と、炭素材料と、遷移金属塩触媒と、乳化剤及び/又は分散剤と、機能性有機物質とを用意し、
(S2)炭素材料と、遷移金属塩と、乳化剤及び/又は分散剤とを混合して分散液を得てなり、
(S3)前記分散液に、前記共役系高分子単量体と、前記機能性有機物質とを添加し乳化重合させ、
(S4)重合生成物を精製分離し、前記気体感知材を得ることを含んでなる、製造方法を提案する。
[Method of manufacturing gas sensing material]
In one aspect of the present invention, there is provided a method for producing a gas sensing material according to the present invention, comprising the steps of:
(S1) preparing a conjugated polymer monomer, a carbon material, a transition metal salt catalyst, an emulsifier and/or a dispersant, and a functional organic substance;
(S2) A carbon material, a transition metal salt, and an emulsifier and/or a dispersant are mixed to obtain a dispersion,
(S3) adding the conjugated polymer monomer and the functional organic substance to the dispersion liquid and carrying out emulsion polymerization;
(S4) A production method is proposed, which includes purifying and separating the polymerization product to obtain the gas sensing material.

(S1)
(S1)では、共役系高分子単量体と、炭素材料と、遷移金属塩触媒と、乳化剤及び/又は分散剤と、機能性有機物質とを用意する。
(S1)
In (S1), a conjugated polymer monomer, a carbon material, a transition metal salt catalyst, an emulsifier and/or a dispersant, and a functional organic substance are prepared.

〈共役系高分子の単量体〉
共役系高分子の単量体は、乳化重合により合成される共役系高分子を構成するモノマーである。共役系高分子の単量体は、ピロール、アニリン、チオフェン、3、4-エチレンジオキシチオフェン、及びチオフェンからなる群から選択される一種又は二種以上の組み合わせが挙げられ、好ましくはピロールである。共役系高分子は、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリ-3、4-エチレンジオキシチオフェン、及びポリチオフェンからなる群から選択される一種又は二種以上の組み合わせが挙げられ、好ましくはポリピロールである。
<Monomers for conjugated polymers>
The monomer of the conjugated polymer is a monomer that constitutes a conjugated polymer synthesized by emulsion polymerization. The monomer of the conjugated polymer may be one or a combination of two or more selected from the group consisting of pyrrole, aniline, thiophene, 3,4-ethylenedioxythiophene, and thiophene, and is preferably pyrrole. The conjugated polymer may be one or a combination of two or more selected from the group consisting of polypyrrole, polyaniline, polythiophene, poly-3,4-ethylenedioxythiophene, and polythiophene, and is preferably polypyrrole.

〈炭素材料〉
炭素材料は、〔気体感知材〕の項で説明したのと同様であってよい。本発明にあっては、好ましくは、カーボンナノチューブ、より好ましくは単一壁カーボンナノチューブを用いる。カーボンナノチューブの長さは、1μm以上が好ましく、10μm以上の長さを有するものがより好ましい。
Carbon Materials
The carbon material may be the same as that described in the section on gas sensing material. In the present invention, preferably, carbon nanotubes, more preferably single-walled carbon nanotubes, are used. The length of the carbon nanotubes is preferably 1 μm or more, more preferably 10 μm or more.

〈遷移金属塩触媒〉
遷移金属塩触媒は、ピロール単量体の乳化重合を促進する触媒である。遷移金属塩触媒の具体例としては、塩化鉄(FeCl、及びFe(III) tosylateからなる群から選択される一種を使用することができる。
<Transition metal salt catalyst>
The transition metal salt catalyst is a catalyst that promotes emulsion polymerization of a pyrrole monomer. A specific example of the transition metal salt catalyst is one selected from the group consisting of iron chloride (FeCl 3 ) and Fe(III) tosylate.

〈機能性有機物質:気体感知機能基導入有機化合物〉
機能性有機物質は、気体感知材における気体感知機能基を導入する物質である。機能性有機物質としては、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリアクリルアミド(PAA)、ドデシルスルホン酸塩、カンファースルホン酸、及びヘキサデシルトリメチルアンモニウム塩からなる群から選択される一種又は二種以上の組み合わせが挙げられる。
<Functional organic substances: organic compounds with gas-sensing functional groups>
The functional organic substance is a substance that introduces a gas sensing functional group into the gas sensing material. Examples of the functional organic substance include one or a combination of two or more selected from the group consisting of polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylamide (PAA), dodecyl sulfonate, camphorsulfonic acid, and hexadecyltrimethylammonium salt.

機能性有機物質が特定の官能基として共役高分子に導入されることにより、例えば、前記化学式Iにおける官能基A、B、S(気体感知機能基)を実現することが可能となる。 By introducing a functional organic substance into a conjugated polymer as a specific functional group, it is possible to realize, for example, the functional groups A, B, and S (gas-sensing functional groups) in the above chemical formula I.

(S2)
(S2)では、炭素材料と、遷移金属塩と、乳化剤及び/又は分散剤とを混合して分散液を得る。
(S2)
In (S2), a carbon material, a transition metal salt, and an emulsifier and/or a dispersant are mixed to obtain a dispersion.

〈分散液〉
分散液は、各材料を水、極性溶媒に溶解及び/又は分散させることで得ることができ。分散は様々な条件下で実行可能であり、実際、大気雰囲気下、室温(約25℃)程度で行ってよい。
<Dispersion Liquid>
The dispersion can be obtained by dissolving and/or dispersing each material in water or a polar solvent. Dispersion can be carried out under various conditions, and in fact may be carried out in an air atmosphere at room temperature (about 25° C.).

(S3)
(S3)では、前記分散液に、前記共役系高分子単量体と、前記機能性有機物質とを添加し乳化重合させる。
(S3)
In (S3), the conjugated polymer monomer and the functional organic substance are added to the dispersion liquid and emulsion-polymerized.

(S3)
(S3)においては、前記共役系高分子単量体と、前記機能性有機物質とを乳化重合することにより、共役系高分子の表面に、官能基(気体感知機能基)A、B及び/又はS(例えば、カルボキシ基、アルコール基、ケトン基、又はアミン基等)を包含し、共役系高分子のナノ粒子又はナノ棒を構成する。共役系高分子のナノ粒子又はナノ棒の表面には、正電荷と気体感知機能基との間で、化学的結合関係を維持しながら連結(キャッピング)した形態の構造を有した気体感知材を生成することができる。気体感知材は、直径30nm以上100nm以下の粒子形状、直径が30nm以上100nm以下であり、長さが5nm以上100μm以下の円筒型、棒状として生成される。
(S3)
In (S3), the conjugated polymer monomer and the functional organic substance are emulsion-polymerized to include functional groups (gas-sensing functional groups) A, B and/or S (e.g., carboxyl groups, alcohol groups, ketone groups, or amine groups) on the surface of the conjugated polymer, thereby forming nanoparticles or nanorods of the conjugated polymer. On the surface of the nanoparticles or nanorods of the conjugated polymer, a gas-sensing material having a structure in which a positive charge and a gas-sensing functional group are connected (capped) while maintaining a chemical bond relationship can be generated. The gas-sensing material is generated as a particle shape having a diameter of 30 nm to 100 nm, a cylindrical shape having a diameter of 30 nm to 100 nm, and a length of 5 nm to 100 μm.

(S3)において、生成される気体感知材は、図2及び図3に示した通りである。図2に示された通り、ナノ粒子の表面構造には気体感知機能基S及びAの構造によって特定ガスの選択性が決まり、気体感知機能基は、例えば、カルボキシ基、アルコール基、ケトン基、アミン基、フェニル、及びC1-6化合物の基であってよく、SとAは互いに異なる物質で光学異性体としての構造的特性を持つことを特徴とする。また、図3に示された気体感知基材(ナノ棒)の表面構造にある気体感知機能基S及びAの構造によって気体の選択性が決定される。 In (S3), the gas sensing material produced is as shown in Figures 2 and 3. As shown in Figure 2, the selectivity of a specific gas is determined by the structure of the gas sensing functional groups S and A in the surface structure of the nanoparticles, and the gas sensing functional groups may be, for example, a carboxy group, an alcohol group, a ketone group, an amine group, a phenyl group, and a group of a C1-6 compound, and S and A are different substances and are characterized by having structural characteristics as optical isomers. In addition, the gas selectivity is determined by the structure of the gas sensing functional groups S and A in the surface structure of the gas sensing substrate (nanorod) shown in Figure 3.

(S3)においては、乳化重合反応は、室温以下の低温であり、好ましくは0℃以下で行う。重合温度を制御することにより、ナノサイズの粒子又は棒状を形成し、かつ、導電性を向上させることが容易に行うことができる。 In (S3), the emulsion polymerization reaction is carried out at a low temperature below room temperature, preferably below 0°C. By controlling the polymerization temperature, it is easy to form nano-sized particles or rods and improve the electrical conductivity.

(S4)
(S4)では、重合生成物を精製分離し、前記気体感知材を得る。
(S4)においては、(S3)で得られたナノ構造である気体感知材は、例えば遠心分離法で精製及び分離して、原料残部、副生成物等を分離する。また、好ましくは、得られたナノ構造である気体感知材を溶媒(例えば、テトラヒドロフラン水溶液)に分散させて固液分離させて、未反応物質等の不純物をとり除く過程を2~3回繰り返すことによって行ってもよい。実際、テトラヒドロフランス溶液において分散させる、未反応物質等が個別に上層で分離され、ナノ構造のである気体感知材は比重差により下層で分離することが可能である。また、好ましい態様によれば、クロロホルム溶剤を利用しることで、未反応高分子を追加的に除去することができ、純粋なナノ構造である気体感知材を得ることができる。
得られた気体感知材は、直径が30nm以上100nm以下の球形粒子、直径が30nm以上100nm以下であり、長さが5nm以上100μm以下の棒状構造体として生産される。
(S4)
In (S4), the polymerization product is purified and separated to obtain the gas sensing material.
In (S4), the nano-structured gas sensing material obtained in (S3) is purified and separated, for example, by centrifugation to separate the remaining raw materials, by-products, etc. Also, preferably, the obtained nano-structured gas sensing material may be dispersed in a solvent (e.g., a tetrahydrofuran aqueous solution) and subjected to solid-liquid separation to remove impurities such as unreacted substances, and this process may be repeated two or three times. In fact, the unreacted substances dispersed in the tetrahydrofuran solution are individually separated in the upper layer, and the nano-structured gas sensing material can be separated in the lower layer due to the difference in specific gravity. Also, according to a preferred embodiment, by using a chloroform solvent, the unreacted polymer can be additionally removed, and a pure nano-structured gas sensing material can be obtained.
The obtained gas sensing material is produced as spherical particles having a diameter of 30 nm to 100 nm, or as rod-shaped structures having a diameter of 30 nm to 100 nm and a length of 5 nm to 100 μm.

(任意・追加工程)
得られた気体感知材は、水又はメタノール、ブタノール、イソプロパノール等の有機溶剤に二次分散させた分散液として調製し、その後、基材へコーティングして、気体感知薄膜(フィルム)材として得ることもできる。
(Optional additional process)
The obtained gas sensing material can be prepared as a dispersion by secondary dispersion in water or an organic solvent such as methanol, butanol, or isopropanol, and then coated onto a substrate to obtain a gas sensing thin film material.

〔気体感知材の製造方法によって得られた気体感知材〕
本発明の一の態様では、本発明による気体感知材の製造方法によって得られた気体感知材(気体感知センサー)が提案される。提案される本発明は、
(S1)共役系高分子単量体と、炭素材料と、遷移金属塩触媒と、乳化剤及び/又は分散剤と、機能性有機物質とを用意し、
(S2)炭素材料と、遷移金属塩と、乳化剤及び/又は分散剤とを混合して分散液を得てなり、
(S3)前記分散液に、前記共役系高分子単量体と、前記機能性有機物質とを添加し乳化重合させ、
(S4)重合生成物を精製分離することで得られる、気体感知材(気体感知センサー)である。
従って、気体感知材(気体感知センサー)の製造方法は、〔気体感知材の製造方法〕の項で説明したのと同様である。
[Gas sensing material obtained by the manufacturing method of gas sensing material]
In one aspect of the present invention, a gas sensing material (gas sensor) obtained by the method for producing a gas sensing material according to the present invention is proposed.
(S1) preparing a conjugated polymer monomer, a carbon material, a transition metal salt catalyst, an emulsifier and/or a dispersant, and a functional organic substance;
(S2) A carbon material, a transition metal salt, and an emulsifier and/or a dispersant are mixed to obtain a dispersion,
(S3) adding the conjugated polymer monomer and the functional organic substance to the dispersion liquid and carrying out emulsion polymerization;
(S4) A gas sensing material (gas sensor) obtained by purifying and separating the polymerization product.
Therefore, the method for producing the gas sensing material (gas sensor) is the same as that explained in the section "Method for producing the gas sensing material".

本発明の内容を以下の実施例を用いて説明するが、本発明の範囲はこれら実施例に限定して解釈されるものではない。また、本明細書に開示された様々な本発明の態様は本実施例から当業者が容易に実施することができるものである。 The present invention will be described using the following examples, but the scope of the present invention should not be interpreted as being limited to these examples. Furthermore, various aspects of the present invention disclosed in this specification can be easily implemented by those skilled in the art from these examples.

〔実施態様:X群〕
〔気体感知材の製造〕
(気体感知材1)
反応器に分散剤として1重量%のPVP(ポリビニルピロリドン:分子量1,300,000)を脱イオン水に溶解分散させた後に、2.7gの塩化鉄(FeCl3)を添加した。
次に、ピロール単量体に対するモル比として0.3モル比のPA(フェニルアラニン)を入れて、60μmサイズのミセルを形成させた。2重量%のピロールモノマーを入れた後、0℃で5時間、乳化重合法により反応させた。反応が終わった後に、反応溶液とほぼ同量のメタノールを入れて分離収去した後、反応生成物の粒子を収去した。
合成されたナノ構造のセンシング物質を遠心分離法で2次精製及び分離し、球形のナノ粒子構造体(気体感知材1)を得た。
このナノ粒子構造体(気体感知材1)は図4に示す通り、フェニルアラニン官能基が表面に結合された導電性高分子ポリピロールのナノ粒子で平均直径は50nm以上80nm以下程度であった。
[Embodiment: Group X]
[Manufacture of gas sensing material]
(Gas sensing material 1)
In the reactor, 1% by weight of PVP (polyvinylpyrrolidone: molecular weight 1,300,000) was dissolved and dispersed in deionized water as a dispersant, and then 2.7 g of iron chloride (FeCl 3 ) was added.
Next, 0.3 molar ratio of PA (phenylalanine) to pyrrole monomer was added to form micelles with a size of 60 μm. After adding 2% by weight of pyrrole monomer, the mixture was reacted by emulsion polymerization at 0° C. for 5 hours. After the reaction was completed, methanol was added in an amount approximately equal to that of the reaction solution, and the mixture was separated and collected, and the reaction product particles were then collected.
The synthesized nanostructured sensing material was subjected to secondary purification and separation by centrifugation to obtain a spherical nanoparticle structure (gas sensing material 1).
As shown in FIG. 4, this nanoparticle structure (gas sensing material 1) was a nanoparticle of conductive polymer polypyrrole with phenylalanine functional groups bound to the surface, and had an average diameter of about 50 nm to 80 nm.

(気体感知材2)
気体感知材1において、0.003重量%の単一壁炭素ナノチューブ(SWCNT)、分散剤としてヘキサデシルトリメチルアンモニウム塩(HDTMA)を使用し、約1000rpmに攪拌しながら重合を行った以外は、同様にして、気体感知材2を得た。
気体感知材2は、200nm以上10μm以下の棒状体であった。気体感知材2は、フェニルアラニン官能基が表面に結合した導電性高分子ポリピロールが単一壁炭素ナノチューブの表面を覆っている構造の共役系炭素ナノ物質であり、これらの電子顕微鏡写真は図5に示した通りである。
(Gas sensing material 2)
Gas sensing material 2 was obtained in the same manner as gas sensing material 1, except that 0.003 wt % of single-walled carbon nanotubes (SWCNT) and hexadecyltrimethylammonium salt (HDTMA) were used as a dispersant, and polymerization was carried out while stirring at about 1000 rpm.
The gas sensing material 2 was a rod-shaped body having a size of 200 nm to 10 μm. The gas sensing material 2 was a conjugated carbon nanomaterial having a structure in which the surface of a single-walled carbon nanotube was covered with a conductive polymer polypyrrole having a phenylalanine functional group bonded to the surface, and the electron microscope photograph of this is as shown in FIG.

〔気体感知センサーの製造〕
(気体感知センサー1)
炭素材として、前記気体感知材2の製造に用いた単一層炭素ナノチューブ(SWCNT)を利用した。金属のくし形電極をガラス基板上に形成したくし形電極基板上へSWCNTと前記気体感知材1をスピンコート法で、室温(25℃)で成膜した。回転速度500-7000rpmで調整することで抵抗値10Ω以上1MΩ以下まで調整し、気体感知センサー1を得た。
[Manufacture of gas detection sensor]
(Gas sensor 1)
As the carbon material, single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) used in the manufacture of the gas sensing material 2 were used. SWCNTs and the gas sensing material 1 were formed on a comb-shaped electrode substrate, which had a metal comb-shaped electrode formed on a glass substrate, by spin coating at room temperature (25°C). The resistance value was adjusted to 10Ω or more and 1MΩ or less by adjusting the rotation speed to 500-7000 rpm, and the gas sensing sensor 1 was obtained.

(気体感知センサー2)
気体感知材2の分散液を、前記気体感知センサー1の製造と同様にして、スピンコート法で、室温(25℃)で成膜した。回転速度500rpm~7000rpmで調整することで抵抗値10Ω以上1MΩ以下まで調整し、気体感知センサー2を得た。
(Gas sensor 2)
The dispersion of the gas sensing material 2 was formed into a film at room temperature (25° C.) by spin coating in the same manner as in the manufacture of the gas sensor 1. The resistance value was adjusted to 10Ω or more and 1MΩ or less by adjusting the rotation speed at 500 rpm to 7000 rpm, and the gas sensor 2 was obtained.

(気体感知センサー(比較例1))
比較例1として、気体感知センサー1から、炭素材のみを除外したものを用いた。
(Gas Sensor (Comparative Example 1))
As a comparative example 1, a gas sensor 1 from which only the carbon material was removed was used.

実施例1〔気体感知センサーの評価試験(アンモニア)〕
(試験)
気体感知センサー1を、ガス導入容器内に取り付けて、アンモニアガスの応答を室温(25℃)で測定した。純空気で希釈したアンモニアガス100ppbと純空気を交互に流した。いずれも流量は300sccmで、相対湿度0%であった。ガス応答は、エレクトロメータを用いてセンサーへ電圧を印加し電流を測定し、抵抗値でモニターした。その抵抗変化が図6である。
他方、比較の為、前記気体感知材1において炭素材を除外した気体感知センサー(比較例1)用いて、上記と同一条件において、同一濃度のアンモニアガスの応答を評価した。その結果を図7に示す。
Example 1 [Gas sensor evaluation test (ammonia)]
(test)
The gas sensor 1 was installed in a gas introduction vessel, and the response of ammonia gas was measured at room temperature (25°C). 100 ppb ammonia gas diluted with pure air and pure air were alternately flowed. In both cases, the flow rate was 300 sccm and the relative humidity was 0%. The gas response was monitored by applying a voltage to the sensor using an electrometer to measure the current and monitor the resistance value. The change in resistance is shown in Figure 6.
On the other hand, for comparison, a gas sensor (Comparative Example 1) was used in which the carbon material was omitted from the gas sensing material 1, and the response to ammonia gas of the same concentration was evaluated under the same conditions as above. The results are shown in FIG.

(結果)
図6に示された通り、アンモニアによって抵抗が上昇し、純空気によって抵抗が戻る現象が確認できた。また、この時見られる抵抗の変化(ΔR)が十分に大きいことが確認できた。
他方、図7に示された通り、本発明の気体感知センサーの特性に比べ、ノイズが上昇し感度が低いことが確認できた。ここで、感度S(%)=ΔR(抵抗変化値)/R0(初期抵抗値)×100で表すが、R0が高いため感度の低下が見られた。
(result)
As shown in Figure 6, it was confirmed that the resistance increases with ammonia and returns to normal with pure air. It was also confirmed that the change in resistance (ΔR) observed at this time was sufficiently large.
On the other hand, as shown in Fig. 7, it was confirmed that the noise increased and the sensitivity was low compared to the characteristics of the gas sensor of the present invention. Here, the sensitivity is expressed as S (%) = ΔR (resistance change value) / R0 (initial resistance value) × 100, and a decrease in sensitivity was observed because R0 was high.

実施例2〔気体感知センサーの評価試験(アンモニア)〕
(試験)
気体感知センサー1を使用し、アンモニアガスの感知性能を評価した。
アンモニア濃度として、100ppb、500ppb、1ppmの抵抗変化を確認し、その変化量をSという指標として濃度に対してプロットした。その結果を図8に示す。
Example 2 [Evaluation test of gas sensor (ammonia)]
(test)
The gas sensor 1 was used to evaluate the ammonia gas sensing performance.
The resistance change was confirmed when the ammonia concentration was 100 ppb, 500 ppb, and 1 ppm, and the amount of change was plotted against the concentration as an index called S. The results are shown in FIG.

(結果)
図8において、外挿のSがノイズレベル(Noise level)より高い位置の濃度が、感知限度(LOD)と呼ばれるものである。本発明では、20ppbの感知感度が得られた。
(result)
In Fig. 8, the concentration at which the extrapolated S is higher than the noise level is called the limit of detection (LOD). In the present invention, a detection sensitivity of 20 ppb was obtained.

実施例3〔気体感知センサーの評価試験(アンモニア)〕
(試験)
気体感知センサー2を使用し、アンモニアガスの感知性能を評価した。アンモニア濃度500ppbでの評価結果を図9に示す。また、アンモニア濃度として、100ppb、500ppb、1ppmの抵抗変化を確認し、その変化量をSという指標として濃度に対してプロットした。その結果を図10に示す。
Example 3 [Evaluation test of gas sensor (ammonia)]
(test)
The gas sensor 2 was used to evaluate the detection performance of ammonia gas. The evaluation result at an ammonia concentration of 500 ppb is shown in Fig. 9. In addition, the resistance change at ammonia concentrations of 100 ppb, 500 ppb, and 1 ppm was confirmed, and the amount of change was plotted against the concentration as an index called S. The results are shown in Fig. 10.

(結果)
図10において、外挿のSがノイズレベル(Noise level)より高い位置の濃度が、感知限度(LOD)と呼ばれるものである。本発明では、20ppbの感知感度が得られた。
気体感知センサー1および気体感知材センサー2ともにアンモニアガスの感知限度が約20ppbの高感度特性が得られた。アンモニアガスは窒素原子を中心に3つの水素と1つのローンペアが存在する。比較例1の気体感知センサーを用いた場合、前記フェニルアラニン官能基における正電荷にアンモニアガスが吸着反応し、その結果、ドーピングされたポリピロールのポーラロン構造の導電性が低下することにより電気信号の変化として感知するものと思われる。
(result)
In Fig. 10, the concentration at which the extrapolated S is higher than the noise level is called the limit of detection (LOD). In the present invention, a detection sensitivity of 20 ppb was obtained.
Both the gas sensor 1 and the gas sensor 2 showed high sensitivity with a detection limit of about 20 ppb for ammonia gas. Ammonia gas has three hydrogen atoms and one lone pair at the center of the nitrogen atom. When the gas sensor of Comparative Example 1 was used, ammonia gas reacts with the positive charge of the phenylalanine functional group, and as a result, the conductivity of the polaron structure of the doped polypyrrole is reduced, which is thought to be detected as a change in electrical signal.

他方、本発明による気体感知センサー1(気体感知材1及び炭素材からなる)及び気体感知センサー2(気体感知材2からなる)では、アンモニアガスへ特異的反応を示すフェニルアラニン官能基を有する導電性高分子ポリピロールと高い導電性を示す炭素材とが電気的パスを形成する複合体を形成することから、含官能基導電性高分子ポリピロールに起こるガス吸着による微弱な電流変化が高伝導・低ノイズ性の炭素材によって、電気信号として敏感に読み取れることによって、感度が向上するものと思われる。 On the other hand, in the gas detection sensor 1 (comprising gas sensing material 1 and carbon material) and gas detection sensor 2 (comprising gas sensing material 2) according to the present invention, the conductive polymer polypyrrole having phenylalanine functional groups that react specifically to ammonia gas and the carbon material that exhibits high conductivity form a complex that forms an electrical path, so it is believed that sensitivity is improved because the weak current change caused by gas adsorption in the functional group-containing conductive polymer polypyrrole can be sensitively read as an electrical signal by the highly conductive, low-noise carbon material.

実施例4〔気体感知センサーの評価試験(アンモニア)〕
(試験)
気体感知センサー1を使用し、加湿下でアンモニアガスの応答を測定した。気体感知センサー1をガスを導入する容器内に取り付けて、アンモニアガスの応答を室温で測定した。純空気で希釈したアンモニアガス500ppbと、純空気を交互に流した。いずれも流量は300sccmである。湿度は、相対湿度50%と70%で測定した。その結果は、図11に示した通りであった。アンモニアによって抵抗が上昇し、空気によって抵抗が戻る現象を確認した。
本発明にあっては、湿度がRH50%及び70%であっても、RH0%同等以上の感知感度が得られた。
Example 4 [Evaluation test of gas sensor (ammonia)]
(test)
The gas sensor 1 was used to measure the response of ammonia gas under humid conditions. The gas sensor 1 was attached to a container into which gas was introduced, and the response of ammonia gas was measured at room temperature. 500 ppb ammonia gas diluted with pure air and pure air were alternately flowed. The flow rate for both was 300 sccm. The humidity was measured at relative humidity of 50% and 70%. The results are shown in FIG. 11. It was confirmed that the resistance increases with ammonia and returns to normal with air.
In the present invention, even when the humidity was 50% and 70%, the same or higher detection sensitivity as that at 0% RH was obtained.

(結果)
前記気体感知センサー1を用いた結果と、フェニルアラニン官能基を有する導電性ポリピロールのみの気体感知センサー(比較例1)として用いた結果とを図12に示す。図12において、破線は、フェニルアラニン官能基を有する導電性ポリピロールのみの気体感知センサー(比較例1)を用いた測定値を示す。本発明による気体感知センサーによれば、導電性ポリピロール単独(比較例1)と比較して、より湿度抵抗性により優れていることが確認できた。
(result)
The results of using the gas sensor 1 and the results of using only the conductive polypyrrole having phenylalanine functional groups as a gas sensor (Comparative Example 1) are shown in Figure 12. In Figure 12, the dashed line shows the measured value using the gas sensor containing only the conductive polypyrrole having phenylalanine functional groups (Comparative Example 1). It was confirmed that the gas sensor according to the present invention has better humidity resistance than the conductive polypyrrole alone (Comparative Example 1).

実施例5〔気体感知センサーの評価試験(アセトン)〕
(試験)
気体感知センサー1について、アセトンガスの感知性能を評価した。気体感知センサー1を、ガスを導入する容器内に取り付けて、アセトンガスの応答を室温で測定した。純空気で希釈したアセトンガス100ppmと、純空気を交互に流した。いずれも流量は300sccmである。湿度は、相対湿度0%で測定した。Acetone感度は約100ppmを確認できた。これより薄いアセトンガス濃度では応答を確認するのが困難であった。この結果よりアセトンに対して選択性があることがわかる。
Example 5 [Evaluation test of gas sensor (acetone)]
(test)
The gas sensor 1 was evaluated for its acetone gas sensing performance. The gas sensor 1 was attached to a container into which gas was introduced, and the response to acetone gas was measured at room temperature. 100 ppm acetone gas diluted with pure air and pure air were alternately flowed. In both cases, the flow rate was 300 sccm. The humidity was measured at 0% relative humidity. The acetone sensitivity was confirmed to be approximately 100 ppm. It was difficult to confirm a response at a lower acetone gas concentration. This result shows that there is selectivity for acetone.

(結果)
前記実施例の結果から、本発明によるガスセンサー製造法によって製造された製造物を利用する場合、40℃以下の室温条件でもアンモニアガスの感知特性を大幅に向上させた気体感知センサー(フィルム)を製造できることが分かる。また、本発明によれば、80%以上の高い湿度条件でも感度の変化がなく、これは商用化で求められる、非常に有効な効果を示すものであった。
(result)
From the results of the above examples, it can be seen that, when using the product manufactured by the gas sensor manufacturing method according to the present invention, a gas sensor (film) with significantly improved ammonia gas sensing characteristics can be manufactured even at room temperature below 40° C. Furthermore, according to the present invention, there is no change in sensitivity even at high humidity conditions of 80% or more, which shows a very effective effect required for commercialization.

〔実施態様:Y群〕
〔気体感知材の製造〕
(気体感知材3)
反応器に分散剤として1重量%のPVP(ポリビニルピロリドン:分子量1,300,000)を脱イオン水に溶解分散させた後に、2.7gの塩化鉄(FeCl3)を添加した。
次に、ピロール単量体に対するモル比として0.3モル比のLA(ラクティクアシッド)を入れて、60μmサイズのミセルを形成させた。2重量%のピロールモノマーを入れた後、0℃で5時間、乳化重合法により反応させた。反応が終わった後に、反応溶液とほぼ同量のメタノールを入れて分離収去した後、反応生成物の粒子を収去した。
合成されたナノ構造のセンシング物質を遠心分離法で2次精製及び分離し、球形のナノ粒子構造体(気体感知材3)を得た。
[Embodiment: Group Y]
[Manufacture of gas sensing material]
(Gas sensing material 3)
In the reactor, 1% by weight of PVP (polyvinylpyrrolidone: molecular weight 1,300,000) was dissolved and dispersed in deionized water as a dispersant, and then 2.7 g of iron chloride (FeCl 3 ) was added.
Next, LA (lactic acid) was added at a molar ratio of 0.3 to the pyrrole monomer to form micelles with a size of 60 μm. After adding 2% by weight of pyrrole monomer, the reaction was carried out by emulsion polymerization at 0° C. for 5 hours. After the reaction was completed, methanol was added in an amount approximately equal to that of the reaction solution, and the reaction product particles were separated and collected.
The synthesized nanostructured sensing material was subjected to secondary purification and separation by centrifugation to obtain a spherical nanoparticle structure (gas sensing material 3).

(気体感知材4)
気体感知材3において、0.003重量%の単一壁炭素ナノチューブ(SWCNT)、分散剤としてヘキサデシルトリメチルアンモニウム塩(HDTMA)を使用し、約1000rpmに攪拌しながら重合を行った以外は、同様にして、気体感知材4(〔化学式III〕で表された構造体)を得た。
気体感知材4は、200nm以上10μm以下の棒状体であった。気体感知材4は、ラクティクアシッド官能基が表面に結合した導電性高分子ポリピロールが単一壁炭素ナノチューブの表面を覆っている構造の共役系炭素ナノ物質として得られた。
(Gas sensing material 4)
Gas sensing material 4 (structure represented by [chemical formula III]) was obtained in the same manner as gas sensing material 3, except that 0.003 wt % of single-walled carbon nanotubes (SWCNT) and hexadecyltrimethylammonium salt (HDTMA) were used as a dispersant and polymerization was carried out while stirring at about 1000 rpm.
The gas sensing material 4 was a rod-shaped body having a size of 200 nm to 10 μm. The gas sensing material 4 was obtained as a conjugated carbon nanomaterial having a structure in which a conductive polymer polypyrrole having a lactic acid functional group bonded to the surface covers the surface of a single-walled carbon nanotube.

(気体感知材5)
反応器に分散剤として1重量%のPVP(ポリビニルピロリドン:分子量1,300,000)を脱イオン水に溶解分散させた後に、2.7gの塩化鉄(FeCl3)を添加した。
次に、ピロール単量体に対するモル比として0.3モル比のPLA(フェニルラクティクアシッド)を入れて、60μmサイズのミセルを形成させた。2重量%のピロールモノマーを入れた後、0℃で5時間、乳化重合法により反応させた。反応が終わった後に、反応溶液とほぼ同量のメタノールを入れて分離収去した後、反応生成物の粒子を収去した。
合成されたナノ構造のセンシング物質を遠心分離法で2次精製及び分離し、球形のナノ粒子構造体(気体感知材5)を得た。
(Gas sensing material 5)
In the reactor, 1% by weight of PVP (polyvinylpyrrolidone: molecular weight 1,300,000) was dissolved and dispersed in deionized water as a dispersant, and then 2.7 g of iron chloride (FeCl 3 ) was added.
Next, 0.3 molar ratio of PLA (phenyllactic acid) to pyrrole monomer was added to form micelles with a size of 60 μm. After adding 2% by weight of pyrrole monomer, the reaction was carried out by emulsion polymerization at 0°C for 5 hours. After the reaction was completed, methanol was added in an amount approximately equal to that of the reaction solution, and the reaction product particles were separated and collected.
The synthesized nanostructured sensing material was subjected to secondary purification and separation by centrifugation to obtain a spherical nanoparticle structure (gas sensing material 5).

(気体感知材6)
気体感知材5において、0.003重量%の単一壁炭素ナノチューブ(SWCNT)、分散剤としてヘキサデシルトリメチルアンモニウム塩(HDTMA)を使用し、約1000rpmに攪拌しながら重合を行った以外は、同様にして、気体感知材6(〔化学式IV〕で表された構造体)を得た。
気体感知材6は、200nm以上10μm以下の棒状体であった。気体感知材4は、フェニルラクティクアシッド官能基が表面に結合した導電性高分子ポリピロールが単一壁炭素ナノチューブの表面を覆っている構造の共役系炭素ナノ物質として得られた。
(Gas sensing material 6)
Gas sensing material 6 (structure represented by [chemical formula IV]) was obtained in the same manner as gas sensing material 5, except that 0.003 wt % of single-walled carbon nanotubes (SWCNT) and hexadecyltrimethylammonium salt (HDTMA) were used as a dispersant and polymerization was carried out while stirring at about 1000 rpm.
The gas sensing material 6 was a rod-shaped body having a size of 200 nm to 10 μm. The gas sensing material 4 was obtained as a conjugated carbon nanomaterial having a structure in which a conductive polymer polypyrrole having a phenyllactic acid functional group bonded to the surface covers the surface of a single-walled carbon nanotube.

〔気体感知センサーの製造〕
(気体感知センサー3)
金属のくし形電極をガラス基板上に形成したくし形電極基板上へで、前記気体感知材4の分散液をドロップキャストし、室温(25℃)で成膜した。ドロップキャストの回数を調整することで抵抗値10Ω以上100MΩ以下まで調整し、気体感知センサー3を得た。
[Manufacture of gas detection sensor]
(Gas sensor 3)
The dispersion of the gas sensing material 4 was drop-cast onto a comb-shaped electrode substrate having a metal comb-shaped electrode formed on a glass substrate, and a film was formed at room temperature (25° C.). The resistance value was adjusted to 10Ω or more and 100MΩ or less by adjusting the number of drop-casts, and the gas sensing sensor 3 was obtained.

(気体感知センサー4)
金属のくし形電極をガラス基板上に形成したくし形電極基板上へで、前記気体感知材6の分散液をドロップキャストし、室温(25℃)で成膜した。ドロップキャストの回数を調整することで抵抗値10Ω以上100MΩ以下まで調整し、気体感知センサー4を得た。
(Gas sensor 4)
The dispersion of the gas sensing material 6 was drop-cast onto a comb-shaped electrode substrate having a metal comb-shaped electrode formed on a glass substrate, and a film was formed at room temperature (25° C.). The resistance value was adjusted to 10Ω or more and 100MΩ or less by adjusting the number of drop-casts, and the gas sensing sensor 4 was obtained.

実施例6〔気体感知センサーの評価試験(アセトン)〕
(試験)
気体感知センサー3を、ガス導入容器内に取り付けて、アセトンガスの応答を室温(25℃)で測定した。純空気で希釈したアセトンガス50ppbと純空気を交互に流した。いずれも流量は600sccmで、相対湿度0%であった。ガス応答は、エレクトロメータを用いてセンサーへ電圧を印加し電流を測定し、抵抗値でモニターした。その抵抗変化は図13に示した通りであった。
Example 6 [Evaluation test of gas sensor (acetone)]
(test)
The gas sensor 3 was attached to a gas introduction vessel, and the response of acetone gas was measured at room temperature (25°C). Pure air and 50 ppb acetone gas diluted with pure air were alternately flowed. In both cases, the flow rate was 600 sccm and the relative humidity was 0%. The gas response was monitored by applying a voltage to the sensor using an electrometer to measure the current and monitor the resistance value. The resistance change was as shown in Figure 13.

(結果)
図13に示された通り、アセトンによって抵抗が低下し、純空気によって抵抗が戻る現象が確認できた。この信号は数サイクルに渡って再現性が見られ、信号/ノイズ(S/N)比は5以上であった。
(result)
As shown in Fig. 13, the resistance was confirmed to decrease with acetone and to return to normal with pure air. The signal was reproducible over several cycles, and the signal-to-noise (S/N) ratio was 5 or higher.

実施例7〔気体感知センサーの評価試験(アセトン)〕
(試験)
気体感知センサー4を、ガス導入容器内に取り付けて、アセトンガスの応答を室温(25℃)で測定した。純空気で希釈したアセトンガス50ppbと純空気を交互に流した。いずれも流量は600sccmで、相対湿度0%であった。ガス応答は、エレクトロメータを用いてセンサーへ電圧を印加し電流を測定し、抵抗値でモニターした。その抵抗変化は図14に示した通りであった。
Example 7 [Evaluation test of gas sensor (acetone)]
(test)
The gas sensor 4 was attached to a gas introduction vessel, and the response of acetone gas was measured at room temperature (25°C). Pure air and 50 ppb of acetone gas diluted with pure air were alternately flowed. In both cases, the flow rate was 600 sccm, and the relative humidity was 0%. The gas response was monitored by applying a voltage to the sensor using an electrometer to measure the current and monitor the resistance value. The resistance change was as shown in Figure 14.

(結果)
図14に示された通り、アセトンによって抵抗が低下し、純空気によって抵抗が戻る現象が確認できた。この信号は数サイクルに渡って再現性が見られ、信号/ノイズ(S/N)比は10以上であった。
(result)
As shown in Fig. 14, it was confirmed that the resistance was decreased by acetone and returned to normal by pure air. This signal was reproducible over several cycles, and the signal-to-noise (S/N) ratio was 10 or more.

実施例8〔気体感知センサーの評価試験(アンモニア)〕
(試験)
気体感知センサー3を、ガス導入容器内に取り付けて、アンモニアガスの応答を室温(25℃)で測定した。純空気で希釈したアンモニアガス1ppmと純空気を交互に流した。いずれも流量は300sccmで、相対湿度0%であった。ガス応答は、エレクトロメータを用いてセンサーへ電圧を印加し電流を測定し、抵抗値でモニターした。その抵抗変化は図15に示した通りであった。
同じく純空気で希釈したアンモニアガス100ppbと純空気を交互に流した。いずれも流量は300sccmで、相対湿度0%であった。ガス応答は、エレクトロメータを用いてセンサーへ電圧を印加し電流を測定し、抵抗値でモニターした。その抵抗変化は図16に示した通りであった。
Example 8 [Evaluation test of gas sensor (ammonia)]
(test)
The gas sensor 3 was installed in a gas introduction vessel, and the response of ammonia gas was measured at room temperature (25°C). Pure air and 1 ppm ammonia gas diluted with pure air were alternately flowed. In both cases, the flow rate was 300 sccm and the relative humidity was 0%. The gas response was monitored by applying a voltage to the sensor using an electrometer to measure the current and monitor the resistance value. The resistance change was as shown in Figure 15.
Similarly, 100 ppb ammonia gas diluted with pure air and pure air were alternately flowed. The flow rate of both was 300 sccm and the relative humidity was 0%. The gas response was monitored by applying a voltage to the sensor using an electrometer to measure the current and the resistance value. The resistance change was as shown in Figure 16.

(結果)
図15、16に示された通り、アンモニアによって抵抗が増加し、純空気によって抵抗が戻る現象が確認できた。この信号は数サイクルに渡って再現性が見られ、アンモニア1ppmの信号/ノイズ(S/N)比は60以上、100ppbの信号/ノイズ(S/N)比は10以上であった。
(result)
15 and 16, it was confirmed that the resistance increased with ammonia and returned to normal with pure air. The signal was reproducible over several cycles, with the signal-to-noise (S/N) ratio at 1 ppm ammonia being 60 or more and the signal-to-noise (S/N) ratio at 100 ppb ammonia being 10 or more.

実施例9〔気体感知センサーの評価試験(ホルムアルデヒド)〕
(試験)
気体感知センサー3を、ガス導入容器内に取り付けて、ホルムアルデヒドガスの応答を室温(25℃)で測定した。純空気で希釈したホルムアルデヒド100ppbと純空気を交互に流した。いずれも流量は300sccmで、相対湿度0%であった。ガス応答は、エレクトロメータを用いてセンサーへ電圧を印加し電流を測定し、抵抗値でモニターした。その抵抗変化が図17である。
同じく純空気で希釈したホルムアルデヒド50ppbと純空気を交互に流した。いずれも流量は300sccmで、相対湿度0%であった。ガス応答は、エレクトロメータを用いてセンサーへ電圧を印加し電流を測定し、抵抗値でモニターした。その抵抗変化は図18に示した通りであった。
Example 9 [Evaluation test of gas sensor (formaldehyde)]
(test)
The gas sensor 3 was attached to a gas introduction vessel, and the response of formaldehyde gas was measured at room temperature (25°C). 100 ppb formaldehyde diluted with pure air and pure air were alternately flowed. In both cases, the flow rate was 300 sccm and the relative humidity was 0%. The gas response was monitored by applying a voltage to the sensor using an electrometer to measure the current and monitor the resistance value. The resistance change is shown in Figure 17.
Similarly, 50 ppb formaldehyde diluted with pure air and pure air were alternately flowed. The flow rate of both was 300 sccm and the relative humidity was 0%. The gas response was monitored by applying a voltage to the sensor using an electrometer to measure the current and the resistance value. The resistance change was as shown in Figure 18.

(結果)
図17、18に示された通り、ホルムアルデヒドによって抵抗が低下し、純空気によって抵抗が戻る現象が確認できた。この信号は数サイクルに渡って再現性が見られ、50ppbの濃度に対して感度S(%)=ΔR(抵抗変化値)/R0(初期抵抗値)×100が0.2以上、信号/ノイズ(S/N)比は10以上の高い性能が確認できた。
(result)
17 and 18, we were able to confirm the phenomenon that the resistance is reduced by formaldehyde and restored by pure air. This signal was reproducible over several cycles, and we were able to confirm high performance, with the sensitivity S (%) = ΔR (resistance change value) / R0 (initial resistance value) × 100 being 0.2 or more for a concentration of 50 ppb, and the signal-to-noise (S/N) ratio being 10 or more.

実施例10〔気体感知センサーの評価試験(メチルメルカプタン)〕
(試験)
気体感知センサー3を、ガス導入容器内に取り付けて、メチルメルカプタンガスの応答を室温(25℃)で測定した。純空気で希釈したメチルメルカプタン200ppbと純空気を交互に流した。いずれも流量は300sccmで、相対湿度0%であった。ガス応答は、エレクトロメータを用いてセンサーへ電圧を印加し電流を測定し、抵抗値でモニターした。その抵抗変化は図19に示した通りであった。
Example 10 [Evaluation test of gas sensor (methyl mercaptan)]
(test)
The gas sensor 3 was installed in a gas introduction vessel, and the response of methyl mercaptan gas was measured at room temperature (25°C). Pure air diluted 200 ppb methyl mercaptan and pure air were alternately flowed. In both cases, the flow rate was 300 sccm and the relative humidity was 0%. The gas response was monitored by applying a voltage to the sensor using an electrometer to measure the current and monitor the resistance value. The resistance change was as shown in Figure 19.

(結果)
図19に示された通り、メチルメルカプタンによって抵抗が低下し、純空気によって抵抗が戻る現象が確認できた。この信号は数サイクルに渡って再現性が見られ、200ppbの濃度に対して感度S(%)=ΔR(抵抗変化値)/R0(初期抵抗値)×100が0.3以上、信号/ノイズ(S/N)比は20以上の高い性能が確認できた。
(result)
As shown in Fig. 19, it was confirmed that the resistance was reduced by methyl mercaptan and restored by pure air. This signal was reproducible over several cycles, and high performance was confirmed, with the sensitivity S (%) = ΔR (resistance change value) / R0 (initial resistance value) × 100 being 0.3 or more for a concentration of 200 ppb, and the signal-to-noise (S/N) ratio being 20 or more.

本発明による気体感知材は、高感度、高選択性、広範な使用可動性、小型化、及び小電力化を実現することができる。本発明による製造方法によれば、簡便性、小型化、安価性を兼ね備えた気体感知材を得ることができる。その結果、本発明による気体感知材は多種多様な用途に用いることが可能である。 The gas sensing material of the present invention can achieve high sensitivity, high selectivity, wide range of use mobility, compact size, and low power consumption. The manufacturing method of the present invention can produce a gas sensing material that is simple, compact, and inexpensive. As a result, the gas sensing material of the present invention can be used for a wide variety of applications.

Claims (12)

気体感知材であって、
下記〔化学式I〕で表されるポリピロール誘導体と、炭素材料とを備えてなり、
気体がアンモニアである、気体感知材。

〔化学式I〕
〔前記化学式I中、
Aは、ェニル基であり、
Bは、水素原子、ハロゲン原子又はハロゲン化合物であり、
Sは、素原子又は窒素原子含有官能基であり、
A、B、及びSは、互いに異なる物質であり、
nは100以上100、000以下である。〕
A gas sensing material, comprising:
The present invention comprises a polypyrrole derivative represented by the following chemical formula I and a carbon material ,
The gas sensing material , wherein the gas is ammonia .

[Chemical Formula I]
[In the above chemical formula I,
A is a phenyl group;
B is a hydrogen atom, a halogen atom or a halogen compound;
S is a nitrogen atom or a nitrogen-containing functional group ;
A, B, and S are different substances;
n is 100 or more and 100,000 or less.
気体感知材であって、
第1層と、第2層とを少なくとも備えてなり、
前記第1層又は前記第2層の何れか一方が下記〔化学式I〕で表されるポリピロール誘導体を含んでなり、
前記第1層又は前記第2層の何れか他方が炭素材料を含んでなり、
気体がアセトンである、気体感知材。

〔化学式I〕
〔前記化学式I中、
Aは、炭素数1~10個のアルキル基又はフェニル基であり、
Bは、水素原子であり、
Sは、素原子、酸素原子、又はこれら原子から構成される極性化合物であり、
A、B、及びSは、互いに異なる物質であり、
nは100以上100、000以下である。〕
A gas sensing material, comprising:
The coating composition comprises at least a first layer and a second layer,
Either the first layer or the second layer comprises a polypyrrole derivative represented by the following chemical formula I:
the other of the first layer or the second layer comprises a carbon material ;
A gas sensing material , wherein the gas is acetone .

[Chemical Formula I]
[In the above chemical formula I,
A is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms or a phenyl group,
B is a hydrogen atom ,
S is a nitrogen atom, an oxygen atom, or a polar compound composed of these atoms;
A, B, and S are different substances;
n is 100 or more and 100,000 or less.
前記炭素材料が、天然又は合成の(立方晶系)ダイヤモン、ロンズデーライト、グラファイト、無定形炭素、ガラス状炭素、グラフェン、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノバッド、カーボンナノファイバー、カーボンナノフォーム、及びカルビンからなる群から選択される一種又は二種以上の組み合わせである、請求項1又は2に記載の気体感知材。 3. The gas sensing material according to claim 1 or 2, wherein the carbon material is one or a combination of two or more selected from the group consisting of natural or synthetic (cubic) diamond , lonsdaleite, graphite, amorphous carbon, glassy carbon, graphene, fullerene, carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanobud, carbon nanofiber, carbon nanofoam, and carbyne. 前記〔化学式I〕で表される化合物と、前記炭素材料とが直接又は結合基を介して結合したものである、請求項1又は2に記載の気体感知材。 3. The gas sensing material according to claim 1 , wherein the compound represented by the formula I is bonded to the carbon material directly or via a bonding group. 前記結合基が、二価の結合基であり、-(C)m(mは1以上10以下)-、-O-、-S-、-OCH-、-CHO-、-CO-、-COO-、-OCO-、-CO-S-、-S-CO-、-O-CO-O-、-CO-NH-、-NH-CO-、-SCH-、-CHS-、-CFO-、-OCF-、-CFS-、-SCF-、-CH=CH-COO-、-CH=CH-OCO-、-COO-CH=CH-、-OCO-CH=CH-、-COO-CHCH-、-OCO-CHCH-、-CHCH-COO-、-CHCH-OCO-、-COO-CH-、-OCO-CH2-、-CH-COO-、-CH-OCO-、-CH=CH-、-N=N-、-CH=N-N=CH-、-CF=CF-、及び-C≡C-からなる群から選択されてなる一種又は二種以上の組み合わせである、請求項4に記載の気体感知材。 The bonding group is a divalent bonding group, and is, for example, -(C 2 )m (m is 1 or more and 10 or less)-, -O-, -S-, -OCH 2 -, -CH 2 O-, -CO-, -COO-, -OCO-, -CO-S-, -S-CO-, -O-CO-O-, -CO-NH-, -NH-CO-, -SCH 2 -, -CH 2 S-, -CF 2 O- , -OCF 2 -, -CF 2 S-, -SCF 2 -, -CH=CH-COO-, -CH=CH-OCO-, -COO-CH=CH-, -OCO-CH=CH-, -COO-CH 2 CH 2 -, -OCO-CH 2 CH 2 -, -CH 2 CH 2 -COO-, -CH 2 CH 2 The gas sensing material according to claim 4, which is one or a combination of two or more selected from the group consisting of -OCO-, -COO-CH 2 -, -OCO - CH2-, -CH 2 -COO-, -CH 2 -OCO-, -CH=CH-, -N=N-, -CH=N-N=CH-, -CF=CF-, and -C≡C-. 気体感知材であって、
下記〔化学式II〕で表される、ポリピロール誘導体とカーボンナノチューブとによる構造体を備えてなる、気体感知材。
〔化学式II〕
〔前記化学式II中、
Aは、炭素数1~10個のアルキル基又はフェニル基であり、
Bは、水素原子、ハロゲン原子又はハロゲン化合物であり、
Sは、硫黄原子、窒素原子、酸素原子、又はこれら原子から構成される極性化合物であり、
A、B、及びSは、互いに異なる物質であり、
nは100以上100、000以下である。〕
A gas sensing material, comprising:
A gas sensing material having a structure of a polypyrrole derivative and carbon nanotubes, represented by the following chemical formula II.
[Chemical Formula II]
[In the above chemical formula II,
A is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms or a phenyl group,
B is a hydrogen atom, a halogen atom or a halogen compound;
S is a sulfur atom, a nitrogen atom, an oxygen atom, or a polar compound composed of these atoms;
A, B, and S are different substances;
n is 100 or more and 100,000 or less.
気体感知材であって、
下記〔化学式I〕で表されるポリピロール誘導体と、炭素材料とを備えてなり、
気体がチオール化合物である、気体感知材。

〔化学式I〕
〔前記化学式I中、
Aは、炭素数1~10個のアルキル基又はフェニル基であり、
Bは、水素原子、ハロゲン原子又はハロゲン化合物であり、
Sは、硫黄原子、窒素原子、酸素原子、又はこれら原子から構成される極性化合物であり、
A、B、及びSは、互いに異なる物質であり、
nは100以上100、000以下である。〕
A gas sensing material, comprising:
The present invention comprises a polypyrrole derivative represented by the following chemical formula I and a carbon material ,
A gas sensing material , wherein the gas is a thiol compound .

[Chemical Formula I]
[In the above chemical formula I,
A is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms or a phenyl group,
B is a hydrogen atom, a halogen atom or a halogen compound;
S is a sulfur atom, a nitrogen atom, an oxygen atom, or a polar compound composed of these atoms;
A, B, and S are different substances;
n is 100 or more and 100,000 or less.
気体感知材であって、
第1層と、第2層とを少なくとも備えてなり、
前記第1層又は前記第2層の何れか一方が下記〔化学式I〕で表されるポリピロール誘導体を含んでなり、
前記第1層又は前記第2層の何れか他方が炭素材料を含んでなり、
気体がチオール化合物である、気体感知材。

〔化学式I〕
〔前記化学式I中、
Aは、炭素数1~10個のアルキル基又はフェニル基であり、
Bは、水素原子、ハロゲン原子又はハロゲン化合物であり、
Sは、硫黄原子、窒素原子、酸素原子、又はこれら原子から構成される極性化合物であり、
A、B、及びSは、互いに異なる物質であり、
nは100以上100、000以下である。〕
A gas sensing material, comprising:
The coating composition comprises at least a first layer and a second layer,
Either the first layer or the second layer comprises a polypyrrole derivative represented by the following chemical formula I:
the other of the first layer or the second layer comprises a carbon material ;
A gas sensing material, wherein the gas is a thiol compound.

[Chemical Formula I]
[In the above chemical formula I,
A is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms or a phenyl group,
B is a hydrogen atom, a halogen atom or a halogen compound;
S is a sulfur atom, a nitrogen atom, an oxygen atom, or a polar compound composed of these atoms;
A, B, and S are different substances;
n is 100 or more and 100,000 or less.
1気圧、10%以上100%以下の相対湿度で感知する、請求項1~の何れか一項に記載の気体感知材。 The gas sensing material according to any one of claims 1 to 8 , which senses at 1 atmospheric pressure and at a relative humidity of 10% to 100%. 1気圧、-50℃以上100℃以下の温度で感知する、請求項1~の何れか一項に記載の気体感知材。 The gas sensing material according to any one of claims 1 to 9 , which senses at 1 atmospheric pressure and at a temperature of -50°C or higher and 100°C or lower. 気体センサーであって、
正極と、負極と、気体感知材とを備えてなり、
前記気体感知材が、請求項1~10の何れか一項に記載されたものである、気体センサー。
1. A gas sensor comprising:
The device comprises a positive electrode, a negative electrode, and a gas sensing material,
A gas sensor, wherein the gas sensing material is as defined in any one of claims 1 to 10 .
気体感知材の製造方法であって、
(S1)共役系高分子単量体と、炭素材料と、遷移金属塩触媒と、乳化剤及び/又は分散剤と、機能性有機物質とを用意し、
(S2)炭素材料と、遷移金属塩と、乳化剤及び/又は分散剤とを混合して分散液を得てなり、
(S3)前記分散液に、前記共役系高分子単量体と、前記機能性有機物質とを添加し乳化重合させ、
(S4)重合生成物を精製分離し、前記気体感知材を得ることを含んでなる、製造方法。
A method for producing a gas sensing material, comprising the steps of:
(S1) preparing a conjugated polymer monomer, a carbon material, a transition metal salt catalyst, an emulsifier and/or a dispersant, and a functional organic substance;
(S2) A carbon material, a transition metal salt, and an emulsifier and/or a dispersant are mixed to obtain a dispersion,
(S3) adding the conjugated polymer monomer and the functional organic substance to the dispersion liquid and carrying out emulsion polymerization;
(S4) purifying and separating the polymerization product to obtain the gas sensing material.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102394466B1 (en) * 2021-11-17 2022-05-03 부산대학교 산학협력단 Partially reduced graphene oxide manufacturing method using hydrogen iodide vapor exposure and temperature and humidity sensor device using same
CN116178949A (en) * 2021-11-29 2023-05-30 中国科学院大连化学物理研究所 A polypyrrole/carbon nanotube composite material and its preparation method and application in sensing film and ammonia sensor
CN114199952A (en) * 2021-12-03 2022-03-18 西南交通大学 A kind of ternary composite gas sensor and preparation method thereof
KR102809850B1 (en) * 2022-10-21 2025-05-19 국민대학교산학협력단 Method for Preparing Nanocomposites for Gas Sensing, Nanocomposites for Gas Sensing Prepared by Same and Gas Sensor Comprising Nanocomposites for Gas Sensing

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007192805A (en) 2005-11-23 2007-08-02 Sony Deutsche Gmbh Chemical sensor based on nanoparticle/nanofiber, array of sensors, using and manufacturing method thereof, and method of detecting analyte
JP2008169091A (en) 2007-01-12 2008-07-24 National Institute For Materials Science Carbon nanotubes uniformly coated with nano-precision polypyrrole ultrathin film
JP2010515779A (en) 2006-10-11 2010-05-13 ユニバーシティ オブ フロリダ リサーチ ファンデーション、インク. Electroactive polymer containing pendant pi-interacting / binding substituents, carbon nanotube composite thereof, and method for forming the same
CN110940705A (en) 2018-09-25 2020-03-31 天津大学 A kind of polypyrrole-graphene nanocomposite gas-sensing structural material with three-dimensional three-dimensional porous characteristics and preparation method thereof

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007192805A (en) 2005-11-23 2007-08-02 Sony Deutsche Gmbh Chemical sensor based on nanoparticle/nanofiber, array of sensors, using and manufacturing method thereof, and method of detecting analyte
JP2010515779A (en) 2006-10-11 2010-05-13 ユニバーシティ オブ フロリダ リサーチ ファンデーション、インク. Electroactive polymer containing pendant pi-interacting / binding substituents, carbon nanotube composite thereof, and method for forming the same
JP2008169091A (en) 2007-01-12 2008-07-24 National Institute For Materials Science Carbon nanotubes uniformly coated with nano-precision polypyrrole ultrathin film
CN110940705A (en) 2018-09-25 2020-03-31 天津大学 A kind of polypyrrole-graphene nanocomposite gas-sensing structural material with three-dimensional three-dimensional porous characteristics and preparation method thereof

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Dae-WoovIhm et al.,Fabrication of polypirrole-phenylalanine nano-films with NH3 gas sensitivity,Sebsors and Actuators B:Chemical,2011年, Vol.153,pp.421-426
Duong Ngoe Huyen et al.,Synergistic Effects in the gas Sensitivity of Polypyrrole/Single Wall Carbon Nanotube Composites,Sensors,2012年,Vol.12,pp.7965-7974,ISSN 1424-8220, doi:3390/s120607965

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