聚苯胺盐(PANI)的合成及其对CO2吸附与传感性能的协同优化研究

为解决全球变暖背景下CO2精准监测与高效捕获难题，研究人员通过合成翠绿亚胺盐聚苯胺(PANI)，系统评估其在25–65°C和1–9 bar条件下的CO2吸附性能与传感特性。结果表明：PANI在最优条件下吸附量达10.153 mmol/g，第五次循环仍保持96%吸附率；其薄膜传感器对纯CO2响应达51.35%，最佳工作温度35°C，展现出优异的循环稳定性和快速响应能力，为碳减排技术开发提供新材料选择。

　　

随着工业活动加剧，大气中CO₂浓度已突破420 ppm，导致全球平均气温较工业革命前上升1.1°C。传统胺类吸附剂虽能捕获CO₂，但存在能耗高、腐蚀性强等缺陷。导电聚合物因其可调控的孔隙结构和表面化学性质，成为碳捕获领域的新兴材料。其中聚苯胺(Polyaniline, PANI)因其独特的氧化还原特性和环境稳定性备受关注，但其CO₂吸附与传感性能的协同机制尚未明晰。

来自中国的研究团队在《Sensors International》发表研究，通过化学氧化聚合法合成翠绿亚胺盐型PANI，采用高压吸附仪测试1–9 bar压力范围内的CO₂吸附等温线，利用石英晶体微天平(QCM)评估薄膜传感器在35°C下的动态响应特性。

材料合成与表征
通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)证实PANI主链中醌式结构的存在，X射线衍射(XRD)显示其结晶度为62%，比表面积测定显示其介孔结构有利于气体扩散。

CO₂吸附性能
在65°C/9 bar条件下获得最大吸附量10.153 mmol/g，吸附等温线符合Langmuir模型，表明为单分子层化学吸附。第五次吸附-脱附循环后容量保持率达96%，优于传统沸石材料。

薄膜传感特性
350 nm厚度的PANI薄膜在35°C时对纯CO₂响应值达51.35%，响应/恢复时间分别为23 s和41 s。传感器在200–5000 ppm范围内呈现线性响应(R²=0.991)，选择性系数相对于CH₄和N₂超过8.7。

讨论与结论
该研究首次揭示PANI中质子化亚胺基团(-NH⁺=)与CO₂的强相互作用机制，其吸附性能优于多数金属有机框架(MOFs)材料。薄膜传感器的工作温度较传统金属氧化物传感器降低约100°C，显著节省能耗。这些发现为开发"吸附-传感"一体化智能材料提供新思路，对工业烟道气监测和直接空气捕获(DAC)技术具有重要应用价值。