一种定电位电解型气体传感器、制备方法和用途技术

本发明专利技术提供了一种定电位电解型气体传感器、制备方法和用途，所述气体传感器包括工作电极，所述工作电极包括憎水性膜和固定于憎水性膜表面的微电极阵列，所述微电极阵列包括由石墨烯和分散在石墨烯中的电化学活性材料构成的石墨烯基复合材料，本发明专利技术将石墨烯基复合材料应用于定电位电解型气体传感器的工作电极，得到了一种比表面积更大的工作电极，检测气体的效果相较于普通电极提升明显，检测极限可达0.1ppm，检测误差约为0.4％，使用寿命可达8000次循环且能够有效检测氢气、甲醛、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、硫化氢、氯气、氨气、臭氧等多种气体。

A Fixed Potential Electrolytic Gas Sensor, Its Preparation Method and Application

The present invention provides a constant potential electrolytic gas sensor, a preparation method and a use thereof. The gas sensor comprises a working electrode, which comprises a hydrophobic film and a microelectrode array fixed on the surface of the hydrophobic film. The microelectrode array comprises a graphene-based composite material composed of graphene and electrochemically active materials dispersed in graphene. Graphene-based composites are applied to the working electrodes of constant potential electrolytic gas sensors, and a working electrode with larger specific surface area is obtained. Compared with ordinary electrodes, the gas detection efficiency is improved obviously. The detection limit can reach 0.1 ppm, and the detection error is about 0.4%. The service life can reach 8000 cycles. It can effectively detect hydrogen, formaldehyde, sulfur dioxide, nitrogen oxides and monoxide. Carbon oxide, hydrogen sulfide, chlorine, ammonia, ozone and other gases.

【技术实现步骤摘要】
一种定电位电解型气体传感器、制备方法和用途
本专利技术属于气体检测领域，尤其涉及一种定电位电解型气体传感器及其制备方法和用途。
技术介绍
随着人们自身生活水平的提高和对环境保护的日益重视，对各种有毒、有害气体如甲醛、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、硫化氢、氯气、氨气、臭氧等进行实时在线监测，从而对大气污染或工业废气进行监控，进而进一步提高人类居住环境的质量变得尤为重要，因此，开发出有效的气体传感检测设备已经成为当务之急，电化学气体传感器因灵敏度高、操作简单、携带方便、可现场直接和连续检测等优点，越来越受到人们的青睐，因此属于热门的研究领域。石墨烯是一种由sp2杂化的碳原子组成的单个原子厚度的二维晶体结构，可以被看作是一层被剥离的石墨片层，石墨烯具有优异的力学和电学特性、良好的生物相容性和大的比表面积等优点，这些特性有利于气体分子在石墨烯表面的吸附，因此，石墨烯基材料被认为一种理想的用于制备气体检测传感器的材料。在电化学传感器应用方面，石墨烯基材料对于生物小分子的电化学传感具有很好的增敏效果，故适用于绝大多数溶液中小分子的氧化还原电化学检测，然而，由于气体的氧化还原反应一般较难发生，现有技术中多利用气体在石墨烯表面进行吸附，改变石墨烯的载流子浓度，引起石墨烯电学性质的变化来实现对气体分子的检测，上述原理属于半导体式检测原理，利用半导体式的检测原理制得的气体传感器结构复杂，难以进行加工制作，例如，单片石墨烯可以被用来构建高灵敏的气体传感器并能够探测单个分子，所需的单片石墨烯却需要通过化学气相沉积等昂贵复杂的制备方法制得，不具备经济实用性；此外，CN104034758A中公开了一种集成氢气传感器，包括基片、加热电极、导热绝缘层和检测电极等，在检测电极上的金属氧化物薄膜，金属氧化物薄膜表面上沉积有贵金属粒子，石墨烯膜覆盖在沉积有贵金属粒子的金属氧化物薄膜上，其制备方法复杂且仅能用于检测氢气，对于其他气体不具有敏感性；CN104569064A中也公开了一种以自卷曲微米管或纳米管为载体的石墨烯气体传感器，传感器由应变薄膜自卷曲形成的微米管或纳米管与带有正负金属电极的石墨烯层共同组装形成，石墨烯层附着在微米管或纳米管的内壁上，管的外部留有金属电极，其也存在结构复杂，制备困难、刻蚀和真空沉积成本较高等问题，难以大规模生产。定电位电解型气体传感器与传统的半导体式气体传感器不同，利用气体在工作电极上的氧化还原反应，产生特定的工作电流来进行气体检测，对于还原性气体检测效果明显，是目前在气体检测领域中使用的主流传感器，将其用于检测不同气体时，根据气体灵敏度的不同，根据响应时间的不同可以区别检测甲醛、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳等，检测效果明显，信号处理较容易。随着人们对于检测精确度和检测特异性的要求逐渐提高，利用半导体式的检测原理制得的气体传感器已渐渐不能满足人们的需要，因此，在现有技术的基础上，本领域的技术人员需要研发一种新的制备方法简便、检测气体多样，能够对甲醛、二氧化硫、甲醛、氮氧化物、一氧化碳、硫化氢、氯气、氨气、臭氧等多种气体进行实时氧化还原检测的定电位电解型气体传感器。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种新的制备方法简便、检测气体多样，能够对二氧化硫、甲醛、氮氧化物、一氧化碳、硫化氢、氯气、氨气、臭氧等多种气体进行实时氧化还原检测的定电位电解型气体传感器及其制备方法和用途。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术的目的之一在于提供一种定电位电解型气体传感器，所述气体传感器包括工作电极。根据本领域技术人员所公知的，所述定电位电解型气体传感器中还包括对电极和参比电极。本专利技术所述的气体传感器在工作时，工作电极和参比电极之间施加有一定的电压，气体在工作电极上发生氧化还原反应，使得对电极和工作电极之间产生偏移电流，通过检测偏移电流的大小即可得知相应气体的浓度。所述工作电极包括憎水性膜和固定于憎水性膜表面的微电极阵列。所述微电极阵列包括石墨烯基复合材料。所述石墨烯基复合材料包括石墨烯和分散在石墨烯中的电化学活性材料。所述微电极阵列通过将石墨烯基复合材料转移到憎水性膜表面，形成预设形状和尺寸得到。优选地，所述石墨烯基复合材料通过将氧化石墨烯和电化学活性前驱体材料分散在溶剂中形成分散液，分散液经过喷雾干燥和热处理得到。所述电化学活性前驱体材料为金属氧化物纳米粒子、金属纳米粒子、合金纳米粒子、金属盐纳米粒子或金属氢氧化物纳米粒子中的任意一种或至少两种的混合物，例如为铂纳米粒子、金纳米粒子、钯纳米粒子、氯化银纳米粒子、二氧化钛纳米粒子、金银纳米粒子的混合物或二氧化钛纳米粒子和钯纳米粒子的混合物等电化学活性前驱体材料在热处理过程中转化为电化学活性材料，电化学活性材料具有催化气体氧化还原反应的效果。优选地，所述电化学活性前驱体材料与氧化石墨烯的质量比为1:0.1～10，例如为1:0.2、1:0.4、1:0.8、1:1.2、1:1.5、1:2、1:2.5、1:3、1:3.5、1:4、1:4.5、1:5、1:6、1:7、1:8、1:8.5、1:9或1:9.5等，进一步优选为1:0.4～2。优选地，所述溶剂为水、乙醇、甲醇或二甲基亚砜中的任意一种或至少两种的混合物，例如为水和乙醇的混合物、乙醇和甲醇的混合物或甲醇和二甲基亚砜的混合物等。优选地，所述分散液中化学活性前驱体材料的浓度为0.1～50mg/mL，例如为0.2mg/mL、0.5mg/mL、1mg/mL、4mg/mL、10mg/mL、15mg/mL、20mg/mL、30mg/mL、35mg/mL、40mg/mL、45mg/mL、48mg/mL或49mg/mL等。优选地，所述分散液中氧化石墨烯的浓度为0.5～20mg/mL，例如为0.6mg/mL、1mg/mL、2mg/mL、4mg/mL、6mg/mL、8mg/mL、10mg/mL、12mg/mL、14mg/mL、16mg/mL、18mg/mL或19mg/mL等。优选地，所述热处理的温度为160～250℃，例如为170℃、180℃、190℃、200℃、210℃、220℃、230℃或240℃等。优选地，所述热处理的时间为10～60min，例如为12min、15min、20min、25min、30min、35min、40min、45min、50min、55min或58min等。优选地，所述石墨烯基复合材料为褶皱状多孔结构，比表面积为200～800m2/g，例如为250m2/g、300m2/g、350m2/g、400m2/g、450m2/g、500m2/g、550m2/g、600m2/g、650m2/g、700m2/g、750m2/g或780m2/g等，比表面积过小会使得检测灵敏度降低，比表面积过大容易吸附过量的气体，降低电极的检测精度。优选地，所述微电极阵列通过将石墨烯基复合材料转移到憎水性膜表面，使得石墨烯基复合材料在憎水性膜表面形成条纹状或网格状结构得到，选用条纹状或网格状的结构能够最有效的发挥出石墨烯基复合材料的吸附和催化效果。优选地，所述条纹状结构中条纹的宽度或网络状结构中网格边的宽度为0.1～1mm，例如为0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种定电位电解型气体传感器，其特征在于，所述气体传感器包括工作电极；所述工作电极包括憎水性膜和固定于憎水性膜表面的微电极阵列；所述微电极阵列包括石墨烯基复合材料；所述石墨烯基复合材料包括石墨烯和分散在石墨烯中的电化学活性材料；所述微电极阵列通过将石墨烯基复合材料转移到憎水性膜表面，形成预设形状和尺寸得到。

【技术特征摘要】
1.一种定电位电解型气体传感器，其特征在于，所述气体传感器包括工作电极；所述工作电极包括憎水性膜和固定于憎水性膜表面的微电极阵列；所述微电极阵列包括石墨烯基复合材料；所述石墨烯基复合材料包括石墨烯和分散在石墨烯中的电化学活性材料；所述微电极阵列通过将石墨烯基复合材料转移到憎水性膜表面，形成预设形状和尺寸得到。2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述石墨烯基复合材料通过将氧化石墨烯和电化学活性前驱体材料分散在溶剂中形成分散液，分散液经过喷雾干燥和热处理得到；所述电化学活性前驱体材料为金属氧化物纳米粒子、金属纳米粒子、合金纳米粒子、金属盐纳米粒子或金属氢氧化物纳米粒子中的任意一种或至少两种的混合物；优选地，所述电化学活性前驱体材料与氧化石墨烯的质量比为1:0.1～10，进一步优选为1:0.4～2；优选地，所述溶剂为水、乙醇、甲醇或二甲基亚砜中的任意一种或至少两种的混合物；优选地，所述分散液中化学活性前驱体材料的浓度为0.1～50mg/mL；优选地，所述分散液中氧化石墨烯的浓度为0.5～20mg/mL；优选地，所述热处理的温度为160～250℃；优选地，所述热处理的时间为10～60min。3.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，所述石墨烯基复合材料为褶皱状多孔结构，比表面积为200～800m2/g。4.根据权利要求1～3之一所述的气体传感器，其特征在于，所述微电极阵列中石墨烯基复合材料形成条纹状或网格状结构；优选地，所述条纹状结构中条纹的宽度或网络状结构中网格边的宽度为0.1～1mm；优选地，所述条纹状结构中相邻条纹之间的间隔或网络状结构的网格边长为0.1～0.5mm。5.根据权利要求1～4之一所述的气体传感器，其特征在于，所述憎水性膜为聚四氟乙烯膜、聚氨酯膜或聚丙烯腈膜中的任意一种，优选为聚四氟乙烯膜。...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙庚志，王俏，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32