Investigación

 

Comparison of NO₂ and NH₃ gas adsorption on semiconductor polyaniline thin films

 

J. Elizalde-Torres^{a, b}, H. Hu^c, *, and J.M. Saniger^a

 

^a Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico, Universidad Nacional Autónoma de México, Ciudad Universitaria, Apartado Postal 70-186, México D.F., 04510, México.

^b PhD student at the Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería, Universidad Autónoma del Estado de Morelos, Cuernavaca, Morelos, México.

^c Centro de Investigación en Energía, Universidad Nacional Autónoma de México, Av. Xochicalco, S/N, Temixco, Morelos, 62580, México. * Corresponding author, e-mail: hzh@cie.unam.mx.

 

Recibido el 17 de diciembre de 2004.
Aceptado el 10 de agosto de 2005.

 

Abstract

Semiconductor polyaniline (PANI) thin films have proven to be an optically sensitive element for detecting gaseous NH₃ and NO₂ at room temperature. Although the absorption of either of them on PANI films results in the color change of the films, from green to blue, the mechanism of the interaction of each gas with the polymer is different. Ultra-violet (UV)-Visible (VIS) spectra of the NO₂ saturated PANI thin films give an increasing blue shift of the polaron band (1.5 eV) as a function of the gas concentration. The NH₃ gas saturated PANI samples, however, show a small red shift of the same absorption band and a slight increase of the relative intensity of the 2.0 eV band. It is suggested that NO₂ oxidizes the semiconductor PANI just as this can be oxidized by an electrochemical potential in an aqueous acid solution, whereas NH₃ deprotonates the polymer without taking out any electrons from it. The presence of NH⁺₄ and of NH^-₂ species in the gas saturated PANI samples is shown by the analysis of their Fourier Transform Infrared (FT-IR) spectra.

Keywords: Polyaniline thin films; NO₂ and NH₃ gas detection; UV-VIS and FT-IR spectra.

 

Resumen

Se han comprobado que las películas delgadas de polianilina (PANI) son elementos ópticamente sensibles para detectar a los gases de NO₂ y NH₃ a temperatura ambiente. Aunque el resultado de la adsorción de ambos gases resulta en el cambio de color de las películas, de verde a azul, el mecanismo de interacción de cada uno con el polímero es distinto. Los espectros de ultravioleta (UV)- visible (VIS) de las películas delgadas de PANI saturadas con NO₂ muestran un desplazamiento de la banda polaronica (1.5 eV) hacia el azul como función de la concentración del gas nocivo. En cambio las muestras de PANI saturadas con el gas amoniaco indican un corrimiento de la misma banda hacia el rojo y un incremento ligero de la intensidad relativa de la banda de 2.0 eV. Esto sugiere que NO₂ oxida al semiconductor PANI de la misma forma que un potencial electroquímico en una solución ácida acuosa, mientras que NH₃ desprotona al polímero sin quitarle ningún electrón. La presencia de las especies adsorbidas de NH⁺₄ y NH^-₂ en las muestras de PANI saturadas con los dos gases se puede observar en sus espectros de infrarrojos por Transformada de Fourier (FT-IR).

Descriptores: Películas delgadas de polianilina; detección de gases de NO₂ y NH₃; espectros de UV-VIS y FT-IR.

 

PACS: 71.20.Rv; 73.61.Ph; 78.40.Me; 78.66.Qn; 82.35.Cd

 

DESCARGAR ARTÍCULO EN FORMATO PDF

 

Acknowledgements

The authors wish to thank Maricela Gutierrez for recording FT-IR spectra and Jose G. Bañuelos for PANI film thickness measurements. Financial support from CONACyT and from PAPIIT-UNAM (Project No.IN114902) of Mexico is gratefully acknowledged.

 

References

1. N.E. Agbor, J.P. Cresswell, M.C. Petty, and A.P. Monkman, Sensors and Actuators B 41 (1997) 137.         [ Links ]

2. P.S. Barker, A.P. Monkman, M.C. Petty, and R. Pride, IEE Proc. -Circuit Devices Syst. 144 (1997) 111.         [ Links ]

3. D. Xie et al., Sensors and Actuators B 81 (2002) 158.         [ Links ]

4. S. Dogan, U. Akbulut, T. Yalcin, S. Suzer, and L. Toppare, Synthetic Metals 60 (1993) 27.         [ Links ]

5. M. Hirata and L. Sun, Sensors and Actuators A 40 (1994) 159.         [ Links ]

6. S. Unde, J. Ganu, and S. Radhakrishnan, Adv. Mater Opt. Electron. 6 (1996) 151.         [ Links ]

7. S.K. Dhawan, D. Kumar, M.K. Ram, S. Chandra, and D.C. Trivedi, Sensors and Actuators B 40 (1997) 99.         [ Links ]

8. M.G.H. Meijerink, D.J. Strike, N. F. de Rooij, and M. Koudelka-Hep, Sensors and Actuators B 68 (2000) 331.         [ Links ]

9. Z. Jin, Y. Su, and Y. Duan, Sensors and Actuators B 72 (2001) 75.         [ Links ]

10. M. Matsuguchi, J. Io, G. Sugiyama, and Y. Sakai, Synthetic Metals 128 (2002) 15.         [ Links ]

11. P.S. Barker, A.P. Monkman, M.C. Petty, and R. Pride, Synthetic Metals 85 (1997) 1365.         [ Links ]

12. K. Ogura, T. Saino, M. Nakayama, and H. Shiigi, J. Mater. Chem. 7 (1997) 2363.         [ Links ]

13. P.N. Bartlett and S.K. Ling-Chung, Sensors and Actuators 20 (1989) 287.         [ Links ]

14. M. Campos, L.O.S. Bulhões, and C.A. lindino, Sensors and Actuators 87 (2000) 67.         [ Links ]

15. S. Takeda, Thin Solid Films 343-344 (1999) 313.         [ Links ]

16. Q. Hao, V. Kulikov, and V.M. Mirsky, Sensors and Actuators B 94 (2003) 352.         [ Links ]

17. U.-W. Grummt, A. Pron, M. zagorska, and S. Lefrant, Analytica Chimica Acta 357 (1997) 253.         [ Links ]

18. A. Talaie et al. Thin Solid Films 363 (2000) 163.         [ Links ]

19. P.T. Sotomayor et al., Sensors and Actuators B 74 (2001) 157.         [ Links ]

20. E. Pringheim, D. Zimin, and O.S. Wolfbeis, Advanced Materials 13 (2001) 819.         [ Links ]

21. T. Lindfors and A. Ivaska, Journal of Electroanalytical Chemistry 531 (2002) 43.         [ Links ]

22. T.A. Sergeyeva, N.V. Lavrik, S.A. Piletsky, A.E. Rachkov, and A.V. El'skaya, Sensors and Actuators B 34 (1996) 283.         [ Links ]

23. M. Kanungo, A. Kumar, and A.Q. Contractor, Journal of Electroanalytical Chemistry 528 (2002) 46.         [ Links ]

24. S.Sukeerthi and A.Q.Contractor, Anal. Chem. 71 (1999) 2231.         [ Links ]

25. S. Hu, J. Luo, and D. Cui, Analytical Sciences 15 (1999) 585.         [ Links ]

26. A. A. Athawale and M.V. Kulkami, Sensors and Actuators B 67 (2000) 173.         [ Links ]

27. A. M. Zimer, R. Bertholdo, M.T. Grassi, A.J.G. Zarbin, and L.H. Mascaro, Electrochemistry Communications 5 (2003) 983.         [ Links ]

28. I.G. Casella, T.R.I. Cataldi, A. Guerrieri, and E. Desimoni, Analytica Chimica Acta 335 (1996) 217.         [ Links ]

29. M.E. Nicho et al., Sensors and Actuators B 76 (2001) 18.         [ Links ]

30. H. Hu, M. trejo, M.E. Nicho, J.M. Saniger, and A. García-Valenzuela, Sensors and Actuators B 82 (2002) 14.         [ Links ]

31. J. Elizalde-Torres, H. Hu, and A.García-Valenzuela, Sensors and Actuators B 98 (2004) 218.         [ Links ]

32. T. Hanawa, S. Kuwabata, and H. Yoneyama, J. Chem. Soc.FaradayTrans. 1 (1988) 1578.         [ Links ]

33. S. Wu, F. Zeng, F. Li, and Y. Zhu, Eur. Polym. J. 36 (2000) 679.         [ Links ]

34. L. Hechavarria, H. Hu, and M.E.Rincon, Thin Solid Films 441 (2003) 56.         [ Links ]

35. J.-L. Brédas, The polyanilines: illustration of the interconnection between chemical structure, geometric structure, and electronic structure in conjugated polymers, in Conjugated polymers and related materials: the interconnection of chemical and electronic structure, in Proceedings of the 81^st Nobel Symposium, W. R. Salaneck, I.Lundström, B.Rånby (Eds., Oxford University Press, Oxford, 1993), pp.187-221.         [ Links ]

36. A. A. Nekrasov, V.F. Ivanov, and A.V. Vannikov, J. Electroanalytical Chemistry 482 (2000) 11.         [ Links ]

37. D.C. Trivedi, Polyanilines, in Handbook of Organic Conductive Molecules and Polymers: Vol.2. Conductive Polymers: Synthesis and Electrical Properties, H.S.Nalwa (Ed., John Wiley & Sons Ltd., Chischester, 1997) pp. 505-572.         [ Links ]

38. S.J. Pomfret, E. Rebout, L. Abell, and A.P. Monkman, Synthetic Metals 84 (1997) 729.         [ Links ]

39. B.J. Polk, K. Potje-Kamloth, M. Josowicz, and J. Janata, J. Phys. Chem.B 106 (2002) 11457.         [ Links ]

40. J. Yano, K. Terayama, S. Yamasaki, and K. Aoki, Electrochimica Acta 44 (1998) 337.         [ Links ]

41. N.B. Colthup, L.H. Daly, and S.E. Wiberley, Introduction to Infrared and Raman Spectroscopy, Third edition, (Academic Press, INC, Boston, 1990).         [ Links ]

42. D.W. Hatchett, M. Josowicz, and J. Janata, J. Phys. Chem. B 103 (1999) 10992.         [ Links ]