杂化导电聚合物气体传感器研究进展

焦体峰，尹娟娟，唐首峰，孟昱婷，饶砚迪，李景红

(1.燕山大学 环境与化学工程学院，河北 秦皇岛 066004；2.燕山大学 河北省应用化学重点实验室，河北 秦皇岛 066004；3.明尼苏达大学 机械工程系，美国 明尼阿波利斯 55455)

0 引言

在日常生活中，化学检测和量化越来越重要，它为环境污染物或有害物质的监测提供了有效的方法，可以保证国家安全、维持工业运转、控制工业和机动车辆废气的排放等健康问题。纳米传感器，作为一种既可以提高性能又能降低成本且结构紧凑的设备而备受关注[1-2]。此外，由于纳米传感器的尺寸微小，有助于建立小型的智能传感器，可以在复杂的混合物中分辨出大量分析物以及它们的浓度,进而提高纳米颗粒的敏感性，降低检测限，缩短响应时间，提高对惰性物质的选择性[3-4]。导电聚合物因其具有导电性、磁性以及金属和半导体的光学性能，同时保留了聚合物的机械性能和加工优势，成为一种引人注目的传感材料[5]。此外，导电聚合物的导电性能近乎跨越了金属到绝缘体。它可以在接近室温的温度迅速提高传统半导体金属氧化物传感器的性能，使其达到一般情况下要到200～400 ℃时才具备的性能[6]，因此，在传感器中加入导电聚合物材料，可以大大提高传感器的灵敏度。在化学传感器领域，基于导电聚合物系统研究最多的也是认同度最高的传感机理之一认为，化学电阻传感器是一种通过改变两接触点之间的电阻来传输化学信号的设备。通过对电流或者电阻等最简单的电信号进行分析就可以得出结论。在纳米级别的杂化后，导电聚合物与无机物以及石墨相比，在性能可调性方面显现出进一步的优势[7-8]。纳米粒子充当纳米电极，可以降低电阻，增强装置灵敏度。因为使用了更少的、更简单的纳米组件，所以大大减少了化学传感器的尺寸[9]。

这些优点激发了研究人员在化学分析中对杂化的导电聚合物纳米传感器的兴趣。因此本文主要介绍了金属、金属氧化物和石墨材料(即碳纳米管和石墨烯)的导电聚合物纳米传感器的结构，例如：纳米颗粒、纳米线、纳米管等。本文通过这一领域几个典型的实验成果来介绍当前研究进展，并说明了这些杂化结构在实际应用中遇到的挑战。因为它们明显不同于传统的导电聚合物传感器，所以除了介绍这类传感系统相关实验的近期报道外，还讨论了这些杂化材料的传感机理。

1 导电聚合物

导电聚合物的发现通常追溯到20世纪70年代末，Heeger、MacDiarmid和Shirakawa第一次提出掺杂卤素的聚乙炔(Polyacetylene, PA)具有高的导电性和可调性[10-12]。随着这些聚合物在多方面的快速发展，他们获得了2000年诺贝尔化学奖[3-4]。他们最重要的贡献是识别共轭主链和π键交替连接(经过掺杂使其导电)。将这项成果应用在传感器中，可以快速识别目标物质。

1.1 导电聚合物结构

和其他聚合物一样，导电聚合物电荷传输和传感等性能，也依赖于其自身缺陷、链长及其多分散性。链长对于取向和三级结构至关重要，其中较长链的有序性和结晶性更好，特别是在有限的空间内，较长的链取向单一。此外，可以通过在聚合物中引入无序或微结构来改变聚合物的三级结构，进而改变构象或改进缺陷，并且许多导电聚合物的衍生物已经被设计用于改进有害反应。例如，用二氧基功能基团掺杂烷基链，形成二氧基聚-3-己基噻吩(Poly-3-hexylthiophene, P3HT)和聚3,4-二氧噻吩(Poly-3, 4-dioxythiophene, PEDOT)可以很好地抑制畸变[5,13-18]。对于大多数导电聚合物传感器来说，它们的三级结构(包括链骨架、取向、顺序和构象)介于单晶和无定形之间。此外，合成路线对导电聚合物结构至关重要，由于链堆叠、多分散性以及潜在的副反应，使得电聚合薄膜更加无序，通过自组装形成更长链以及经过有限缺陷的化学合成(如旋涂)生成的膜结晶度更高。电沉积比较无序，可以通过选择溶剂和改变沉积条件来调整缺陷密度、链取向以及结晶度。

1.2 电荷传输

导电聚合物有链内传导和链间传导两种不同的电荷传导机制。电荷载体的性质取决于具体的聚合物，包括粒子、极化子和双极化子，所有这些引入的能量状态介于最高占据分子轨道和最低未占据分子轨道的能量之间[19-21]。导电聚合物的导电性能取决于聚合物的构象、三级结构以及掺杂剂。电荷跃迁是一个热激活过程，主要受填充物确定的链间距影响[22]。大多数导电聚合物薄膜的纳米结构介于晶体和非晶体之间，因为电荷不能穿过聚合物连接处向外延伸，所以在实际系统中同时存在链间传输和链内传输。结晶度决定链间传输行为，在高度结晶的膜中聚合物链的取向也很关键[23]。因电荷传输的横截面处的结构不均匀，且本体内为多相混合，所以界面处会出现不同于主体的行为，在界面上主要是链间传输[24-26]。导电聚合物电荷传输的研究，已经成为导电聚合物三级结构研究的热门领域，当前在物理三级结构以及掺杂水平方面提出了无序的导电聚合物的跳跃传输、准一维传输、金属的隧道传输等模型[20,25,27-28]，更具体地阐述聚合物的电荷传输行为[25,29]。

1.3 导电聚合物传感器

导电聚合物可以对能带、光、压电和电荷传输性质变化等做出化学响应，已经被广泛应用于导电聚合物化学传感器[30]。其中，导电聚合物对能带、光、压电等的响应是指其光学属性,是物质的结构在外因作用下(比如光、电场等发生改变)发生稳定、可逆的变化，从其本质上来说是一种特殊的氧化还原反应。导电聚合物类材料具有颜色丰富、转换速度快、合成工艺简单、稳定性好等优点[31]，因此，导电聚合物对光选择性的吸收以及外观上颜色或透明度的可逆变化起到了很重要的作用。这种性质的变化通常发生在可见光、红外和微波波长范围，所以我们能够直观地看清材料的颜色变化。常见的导电聚合物有聚苯胺、聚噻吩、聚芴、聚吡咯及它们的衍生物[32-34]。目前导电聚合物电致变色材料包括主链共轭型、侧链带有电致变色特征官能团型、共混型三类。导电聚合物对能带的响应目前主要表现在金属络合物中，金属络合物是由过渡金属离子和有机配体组成的，其金属离子的 d轨道，分裂为具有低能级的 T2g轨道与高能级的 Eg轨道，这两种轨道间的能级差大部分位于可见光范围内，这样在外界条件发生变化时，金属离子内部发生能级跃迁，就会显现出颜色的变化[35]。

传感器的属性包括有灵敏度、选择性、动态范围、检测下限、检测上限、响应时间、恢复时间等。其中灵敏度是指电阻随浓度的变化，它通常来自于几种不同浓度的目标分析物定时曝光的校准曲线。选择性主要是对特定系统中常见分析物单独曝光，通过比较传感器对目标分析物和干扰化学物质的响应来确定。检测下限和检测上限分别表示传感器可以检测的分析物的最小和最大浓度。检测下限通常受被检测物质的最低浓度或者是传感器电阻噪声水平的三倍响应限制。响应时间通常是指特定分析物在特定浓度下电阻值达到总阻值的90%时所需的时间。恢复时间是指检测结束后响应值衰减到10%以下时所需的时间。导电聚合物传感器作为纳米结构器件具有几个显著的优点[36-37]：尺寸小、空间分辨率高。此外，研究表明由于二维分析物的扩散，响应/恢复时间明显缩短[38]。导电聚合物的密度决定着主体扩散和最终的响应/恢复时间[39-41]。像普通的塑料一样，导电聚合物的孔隙率也取决于多级结构。然而，具有纳米结构的导电聚合物传感器的三维结构与传感器性能之间的明确相关性尚未得到证明[42-43]。

2 杂化的导电聚合物传感器

2.1 金属/导电聚合物

金属/导电聚合物，包括薄膜和纳米结构以及含有表面修饰和大块包覆的金属纳米颗粒的导电聚合物。其中负载的金属有Au、Ag和Pt等贵金属。因为这些金属对分析物的相互作用比较敏感，所以常常用于检测挥发性有机化合物(Volatile organic compounds，VOCs)或其它气态分子，此外也有报道其它金属例如Ni和Cu等[8,44-46]。在这些研究中，纳米颗粒的覆盖率、分散性能、表面化学性能以及尺寸等高度依赖于合成路线。实际上，因传感机制和传感路线的模糊，阻碍人们对气体分析物的灵敏度或降低检测限等方向的研究[8,14，30，44-45]。例如，Park等人通过一步法合成了纳米银修饰的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)纳米管，证明了聚3,4-乙烯二氧噻吩(Poly-3,4-ethylenedioxythiophene)纳米管中Ag纳米颗粒可以充当纳米电极，并应用于化学传感器中[44]。Park等人所使用的装置是金属离子通过气相沉积法聚合在涂覆有引发剂(Fe3+)和纳米颗粒前体(Ag+)的模板中，进而合成了Ag纳米颗粒修饰的PEDOT纳米管，原理如图1所示。Park等人通过调节管上纳米颗粒的尺寸和密度，来改变模板中的银离子负载，如图2中XRD所示，证实了银纳米颗粒成功掺入PEDOT纳米管。在这些器件中Ag NPs/PEDOT NTs的灵敏度随着Ag纳米粒子负载量的增加而增加，可能是因为电荷可以通过PEDOT/Ag/PEDOT界面，导致电荷空穴的密度降低所致。在电荷传输穿过PEDOT/Ag界面和Ag/PEDOT界面时，相对于PEDOT(～5.0 eV)来说，Ag的功能函数较低(4.7 eV)，这将对电荷传输产生轻微屏蔽，对质量分数为30%的Ag来说电阻率可能会减少到原来的1/10倍。作为NH3传感器，随着Ag负载增加至30%(质量分数)，所述装置的响应明显加快，并且灵敏度也有所增加(图3)，此后颗粒聚集会抑制导电聚合物在装置中的作用，导致灵敏度轻微下降。质量分数为30%时响应时间最短，这与导电聚合物内缺陷的增加有关，但Ag负载过高时，表面覆盖率的增加会阻碍分析物进入导电聚合物，从而降低灵敏度。

Shirsat等人用聚苯胺(Au/PANI)检测H2S系统证明了金属纳米颗粒作为敏化剂的显著贡献[40]。在这项工作中，PANI网络使用两步法成核和生长，获得250～350 nm纳米带状结构。PANI网络经过聚合后，再经过电化学官能化与直径为70～120 nm的Au纳米颗粒杂化。如图4所示，该方法中纳米颗粒分散良好。Au/PANI器件对低浓度的H2S在室温下表现出优异的传感性能，其最低检测限比未经官能化的PANI网络高出了4个数量级(如图5)[45]。虽然Shirsat等人在文献[40]中未能详细描述传感机理，但从AuS层的功能函数(6.18 eV)可以推测出电荷是从Au转移到AuS的[46]。在这种情况下，电子从PANI转移到AuS也会发生，但在实际中肖特基势垒将会阻止电子从金属纳米颗粒转移到PANI。纳米颗粒的表面电荷显著增加了导电聚合物局部的传导，类似于负栅极偏压将p型场效应晶体管切换到“导通”状态时具有更高的导电性。

2.2 金属氧化物/导电聚合物

金属氧化物(例如SnO2、In2O3、TiO2、ZnO和WO3)是用于气体检测的最常用的材料，其在烟雾报警器和许多常见的商场和住宅报警系统中已经使用数十年。但是，这些材料有一些缺点，如选择性差、操作温度高(200～400 ℃)以及基线漂移等。而具有较小尺寸和较高结晶度的金属氧化物可以增强导电聚合物与气体的结合能，使得在低浓度下，气体就能与导电聚合物结合。和原始聚合物相比，金属氧化物/导电聚合物界面形成异质结，其对分析物，特别是对原始分析物或轻度掺杂形式的分析物非常敏感。虽然一些研究证明了金属氧化物/导电聚合物材料的效用[9,47-53]，但是大多数研究未能证明这种协同行为，所以导电聚合物、金属氧化物及其复合结构对气体传感变得更为重要。有人尝试使用涂覆有薄导电聚合物的中空SnO2球，将金属氧化物与导电聚合物复合[54-55],如图6所示。合成方法是将涂覆n型金属氧化物球与溶液中的单体通过氧化剂聚合。球体可以增大导电聚合物的表面积，并且球体之间互相连接，结果表现为电荷传输主要通过薄的导电聚合物涂层发生。SnO2空心球的原理仍未研究清楚，但是导电聚合物涂层可以限制金属氧化物和分析物之间的相互作用。这些器件主要由导电聚合物/金属氧化物界面处损耗区的p-n连接支配，损耗区的电荷载体浓度降低并且对分析物之间的相互作用可能更加敏感。因此，在相对较低的检测限下，这些金属氧化物与导电聚合物复合的传感器在NO2和NH3中具有很大的应用的前景。Nie等人[56]报道过以氧化锌微球作为牺牲性模板合成出的分级结构聚苯胺微球,与未使用模板法得到的聚苯胺纳米颗粒相比，氧化锌微球作为牺牲性模板合成出的分级结构聚苯胺微球具有更好的形貌、更高的结晶度以及更大的质子化程度,因而展现出了优异的氨敏性能，它在室温下对100 ppm氨气的灵敏度为157，是聚苯胺纳米颗粒的18倍且检测下限低至300 ppb NH3。导电聚合物由于原位聚合，在结构上呈现出无定形状，并且与导电聚合物复合的金属氧化物的形态粗糙，可能对结构产生显著影响，因此对聚合物的形式和结构的报道相对较少。

目前大多数研究的是使用了包括PEDOT, P3HT, PANI,以及PEDOT-P3HT与SnO2和TiO2的金属氧化物与导电聚合物复合的超薄膜传感器[57-58]。这些传感器的关键是使用具有Langmuir-Blodgett(LB)逐层组装或使用具有金属氧化物纳米颗粒的导电聚合物自组装层以实现对膜厚度的精细控制。用乙二胺四乙酸(Ethylene diamine tetraacetic acid，EDTA)洗涤至导电性稳定后，再经过氨洗涤来除去导电聚合物膜。尽管这些研究中没有详细阐述三级结构，但是许多的结晶膜与LB方法有关，并且由于LB组装，使得纳米颗粒在膜内以及表面上生长。

2.3 碳纳米管/导电聚合物

碳纳米管凭借其独特的中空结构和高比表面积被认为是一种优异的气敏材料。基于碳纳米管/导电聚合物材料开发单壁碳纳米管(Single-walled nanotubes, SWNT)的器件，广泛地用来探索杂化的导电聚合物气体传感器。这类传感器充分结合了SWNT和导电聚合物的优点。SWNT具有低分析物亲和力及其不可逆吸附等优点，导电聚合物具高灵敏度、高选择性和可逆性。虽然已经有人研究碳纳米管和导电聚合物完全混合的复合材料，但是没能使SWNT换能器和导电聚合物敏化元件更加优化，并且这些装置可见增益很小。An及其同事最先采用化学聚合方法掺入SWNT[59]。然而并没有报道出现较低的检测限，SWNT检测需要相当浓的NO2。类似结构的SWNT/导电聚合物复合材料通过喷墨处理证明了在较低的检测限范围内VOCs的灵敏度有所增强[60]。首先由Qi及同事用未完全共轭的聚合物对SWNT/导电聚合物混合装置进行了改进。首先，他们用非共价的聚合物薄膜修饰在化学气相沉积(Chemical vapor deposition，CVD)中生长的SWNT，提高了传感器对NO2和NH3的高选择性和灵敏度[61]。然后，使用具有渗透性和选择性的聚合物全氟磺酸(Nafion)来提高对NH3的选择性，而且聚合物有较高的结合力使得传感器对NO2具有高选择性和灵敏度。这种工艺的一个关键特征是顺序组装; 通过独立的SWNT装置初始化，在这种情况下具有高产率的半导体SWNT为原位合成带来附加增益，然后用聚合物薄膜进行官能化。组装顺序确保了SWNT或SWNT网络在导电聚合物中为电荷传输提供独立的路径，使得薄聚合物层的感光度增强，通过SWNT中聚合物-分析物之间相互作用来传输电荷。在导电聚合物方面，早期研究主要通过共价键结合二乙基丙炔胺甲酸盐(PABS)的SWNT网络，表明其对NH3检测方面有两个数量级的改进[62]。这归因于PABS官能团的去质子化反应对电荷载体浓度的调节(图7(a))。因为导电聚合物没有完全敏化SWNT，使其转化为羧基基团。实际中，羧基官能团是感应系统的关键组成，所以羧基的密度可能会成为进一步探索的重要参数。通过进一步优化SWNT-PABS网络使得对NH3和NO2的检测下限得到优化，分别为100 ppb和300 ppb7(b)[63]。

Zhang 等人做了类似的工作，探讨了使用过氯掺杂的PANI，通过电沉积功能化SWNT-COOH网络，用于气体检测[64]。电沉积可以在较低的成核电势涂覆网络中增加导电表面，确保敏感点被功能化。结果显示在室温下对NH3的检测灵敏度提高了60倍，每ppm ΔR/R为2.44%，未官能化的SWNT-COOH网络的灵敏度，对NH3的检测下限为50 ppb，在这种配置中，导电聚合物是连续的并且对器件的导电性有很大的影响。这些PANI修饰的SWNT网络对温度也显示出敏感性。如对于半导体SWNTs和PANIs所预期的，随着温度的增加电阻降低。比如在气体/PANI中，对NH3的检测灵敏度会随着温度的升高而增加，但是这也可能是电子的原因，因为温度升高电荷运动加快。然而当温度太高时灵敏度会降低。Wang等人证明杯芳烃取代聚噻吩涂覆SWNT传感器用于二甲苯异构体的分离[63]。在P3HT中杯芳烃基团从尾部连接己烷，然后对异构的导电聚合物进行化学聚合。然后将导电聚合物与SWNT混合后旋涂在电极上组成杂化传感器。杯芳烃具有选择性疏水性使其对对二甲苯的敏感性增加，而未修饰的SWNT/P3HT装置对二甲苯没有明显响应。He等人采用新型的介电泳法制备碳纳米管传感器，提高碳纳米管的排布规律性[65]。研究表明，对碳纳米管进行羧基化和氨基化修饰可以减少碳纳米管的纠缠和团聚，提升其在溶剂中的分散水平。使用氧化聚合法可以合成聚苯胺并包裹在碳纳米管上。相比羧基化碳纳米管，两种氨基化修饰在气敏性上都有提高，乙二胺修饰对所有VOCs气体几乎都提高了一倍，而苯胺修饰主要提高了对甲醇、乙醇、正丙醇和甲苯的响应。聚苯胺修饰的碳纳米管对VOCs具有最大的响应，主要增加了对水、正丙醇、甲苯、环己烷的响应。聚合物-碳纳米管复合物的响应相比于氨基化修饰和羧基化修饰也有一定的提高，而且对水的响应有所抑制。综合来看，不同的修饰在改变响应强度的同时，也改变了对不同气体的选择性，即不同的传感器在VOCs气敏测试中表现出不同的响应模式。

除了对分析物特异性研究之外，随后改变SWNT/导电聚合物气体传感器中的导电聚合物以区分更多分析物。在这项研究中，SWNTs通过真空过滤，电聚合过程与导电聚合物杂化过程，将SWNT负载暴露于甲基磷酸二甲酯(Dimethyl methyl Phosphate，DMMP)和NH3进一步优化其动态范围和最低检测限。其中DMMP和NH3都会在溶液浓度为1 mg/L 时聚合。有的设备可分辨多个不同的导电聚合物，比如SWNTs，像是一个电鼻子，它可以区分6种不同分析物。由于SWNTs是一维结构互连节点少[66-67]，半导体SWNT具有优先对齐性，SWNT/导电聚合物杂化结构优于随机排列的SWNT网络。在一项研究中，垂直排列的CNTs跳过分散和组装步骤，直接集成到装置中，其优点包括易于用导电聚合物官能化，而且由于CNTs密集的粒子数使其稳定性更好，器件电阻更低。

2.4 石墨烯/ 导电聚合物

近年来，由于石墨烯的小尺寸效应、表面效应以及独特的结构特性，因此将其与PANI复合制备出新型的气敏材料成为传感器研究领域的热点。石墨烯的极限强度和机械模量分别为130 GPa和110 GPa,密度约为2 g/cm3,导热系数为3 000 W/(m·K),比表面积更是高达2 630 m2/g[68]。将PANI与石墨烯两者的优点结合起来，复合材料不仅具有PANI与石墨烯材料的双重特性，而且还具有了纳米材料的小尺寸效应、表面效应，赋予传感器更加优异的性能。导电聚合物与石墨烯杂化在传感器方面的应用研究受到石墨烯处理的限制，包括单层石墨烯的剥离和控制其表面化学性能[69-72]。石墨烯官能化与SWNT类似，导电聚合物的掺杂克服了单层石墨烯的加工限制，石墨烯的掺入增强了导电聚合物传感器的选择性和灵敏度，因而导电聚合物/石墨烯在传感器领域受到越来越多的关注。目前，国内外对石墨烯/PANI材料用于检测NH3敏感特性的研究工作处于传感器研究的起步状态。研究结果表明石墨烯/PANI复合材料中C-OH、C=O和O=C-OH的键能强于纯PANI中对应的键能。通过对XPS能谱图的分析，得出石墨烯与PANI的分子链之间形成了π-π相互作用，有利于电子的移动以及石墨烯与PANI获得良好的协同效应，从而使杂化材料石墨烯与PANI具有优异的电化学特性[73]。石墨烯与PANI薄膜传感器的电阻随着NH3浓度的增加而增大。当传感器接触到NH3时，其响应非常灵敏；当NH3被空气替换时，传感器电阻值迅速恢复到起始电阻值，响应和恢复速度均非常快。石墨烯/PANI传感器对NH3的灵敏度非常高，能够识别出1 ppm浓度的NH3，该指标与几种典型的NH3传感器进行比较，说明石墨烯/PANI薄膜传感器的性能非常卓越。

迄今为止的复合膜都是在溶液中加工的，氧化石墨烯用作前驱体或直接用于石墨烯/导电聚合物传感器。虽然这种合成方法简单易行，但是这种方法制备的材料面积较小，影响系统的潜力。允许剥离的氧化石墨烯化学改性对传感器结构有实质性改变，从而提高了传感器的性能。虽然还原的氧化石墨烯包含原始晶粒，但不排除这些缺陷会增强化学敏感性，它们绕过了诸如原始石墨烯的零带隙的特征，其仅允许含有轻微化学势的吸附物进行电荷转移[74]。此外，石墨烯/PANI传感器领域最近被证明可用于氢传感[75]。通过在PANI的化学聚合期间添加石墨烯来合成复合物。如图8(a)和8(b)所示的复合材料在所检测的H2浓度上优于纯的石墨烯及纯的PANI纳米纤维，但它只针对较高H2浓度(即0.5%和1.0%)的PANI，如图8(d)对比了石墨烯/ PANI，PANI纳米纤维和石墨烯对H2气体响应的灵敏度。

虽然石墨烯已经被证明可以增强膜的孔隙率，会增加对氢的响应灵敏度，但因为这种贡献能力有限，然而，氢气能消耗大多数空穴载流子，石墨烯中羧基作为还原剂导致电阻增加，所以纯石墨烯传感器对氢气响应灵敏度较低。在PANI纳米纤维中，H2被认为是从氢键到苯胺绿的胺基，再解离并与胺形成新的N-H键，对H2的响应灵敏度高于单纯石墨烯传感器。石墨烯/与PANI复合材料结合了石墨烯与PANI的优点，在较高浓度对氢气的响应灵敏度明显提高[76-79]。表1对比了几种典型导电聚合物气体传感器的性能。杂化的导电聚合物纳米材料可以克服独立材料的选择性小和灵敏度低等限制，在化学检测方面得到广泛应用。导电聚合物在化学反应中作为转换元素或敏化剂，可以有效降低便携式室温实时监测设备的成本。上述报道已经证明了这些材料的潜力，但是似乎没有抓住关键因素，并没有出现超越导电聚合物传感器标准的新设备。

表1 典型导电聚合物气体传感器性能对比Tab.1 Performance comparison of typical gas-sensors from conducting polymers

3 结果和展望

导电聚合物由于其具有较高的赝电容,因此被广泛应用于电化学电容器电极材料的研究。具有代表性的聚合物主要包括聚吡咯、聚噻盼、聚苯胺及其衍生物等，这些材料发挥储能作用的主要机理是通过电化学控制电极上聚合物膜的氧化和还原电位,进而使其发生氧化还原反应,在伴随离子置入置出的同时实现充放电过程。纳米结构导电聚合物具有制作简便、设计灵活、电导率高、环境稳定性好等许多优点，但也存在着机械强度低、热稳定性差、灵敏度低等缺点。

目前研究人员已经在合成和制备有机-无机复合导电材料上做出了大量努力，希望能挖掘出导电聚合物超越单一组分的新性能及应用。然而，聚合物材料的几何形状、尺寸、结构以及合成路径都会影响传感器的性能和在设备设计中的评估，所以导电聚合物的研究成为目前研究的重点。随着杂化材料界面电子和物理结构的理解逐渐成熟，杂化导电聚合物体系已经具有广阔的前景和可观的潜力。 因此，从导电聚合物的化学结构的角度上来看，在基础聚合物中引入官能团以及更高水平的掺杂，为以后传感器结构优化的研究开阔了新的视角。