[发明专利]一种定电位电解型气体传感器、制备方法和用途有效

专利信息
申请号: 201810922358.8 申请日: 2018-08-14
公开(公告)号: CN109187683B 公开(公告)日: 2020-12-29
发明(设计)人: 孙庚志;王俏 申请(专利权)人: 南京工业大学
主分类号: G01N27/30 分类号: G01N27/30;G01N27/27;B82Y15/00;B82Y30/00
代理公司: 北京品源专利代理有限公司 11332 代理人: 巩克栋
地址: 211816 *** 国省代码: 江苏;32
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摘要:
搜索关键词: 一种 电位 电解 气体 传感器 制备 方法 用途
【说明书】:

发明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石墨烯‑碳纳米管复合材料,所述石墨烯‑碳纳米管复合材料中,石墨烯为多孔状结构,碳纳米管均匀分散在石墨烯的表面和孔隙之间,通过化学键与石墨烯相连,本发明通过将石墨烯‑碳纳米管复合材料应用于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,用于检测氯气时,效果相较于普通电极提升明显,检测极限可达0.12ppm,检测误差<0.4%,使用寿命可达8000次循环。

技术领域

本发明属于气体检测领域,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。

背景技术

氯气是氯碱工业中最重要的化工产品之一,氯气具有非常广泛的用途,是农药、橡胶、塑料和合成纤维工业的重要原料,也可以作为漂白剂和消毒剂使用,然而,氯气是一种剧毒性气体,具有很强的刺激性,吸入少量氯气就会使得鼻腔和喉咙的粘膜受到刺激,引起胸痛和咳嗽,即使氯气浓度较低,长时间吸入也会使人生病甚至死亡,属于化工领域中需要严格控制其环境浓度的一种气体,相关研究证明,当空气中氯气的浓度为1~6mg/m3时,会对人产生显著的刺激,当浓度达到40~60mg/m3时,在30~60min即可致人中毒或死亡,氯气的化学性质也极为活泼,氯气能与乙炔、氢气、松节油、乙醚、氨、烃类、金属粉末等多种化学物质剧烈反应并发生爆炸,因此,研究与开发用于氯气检测的电化学传感器具有重要的意义。

电化学气体传感器因灵敏度高、操作简单、便携方便、可现场直接和连续检测等优点,越来越受到人们的青睐,电化学传感器的关键技术是电极和电极材料的设计,尤其是定电位电解型气体传感器,通过气体在电极上进行氧化还原反应带来的电流变化检测气体浓度,因此,电极材料需要具备一定的催化能力,而且,电极材料催化性能的好坏对于传感器的特异性和敏感性均有较大的影响,传统的定电位电解型气体传感器通常采用贵金属纳米粒子如铂纳米粒子等作为催化剂,由于贵金属纳米粒子价格昂贵且在用于催化氯气时效率不高,进而使得传感器灵敏度降低甚至失效,传感器寿命降低。

碳纳米管具有独特的一维结构,优异的力学和电学特性,具有作为定电位电解型氯气传感器的电催化剂的潜力,然而,碳纳米管自身存在比表面积小、分散难、表面呈现化学惰性、难于修饰等缺点,而石墨烯具有独特的结构,对电化学传感能够起到很好的增敏作用,其较大的比表面积等优点也有利于气体分子在石墨烯表面的吸附,将石墨烯与碳纳米管材料相结合,利用二者互补的性能得到一种具有较强气体检测能力的材料属于一种较为新颖的研究方向。

现有技术中制备石墨烯和碳纳米管的复合材料通常通过将石墨烯和碳纳米管通过简单的共混和热处理得到,上述制备方法使得石墨烯层间堆叠,进而降低其比表面积,而且,由于石墨烯自身具有一定的疏水性,使得包覆在石墨烯层之间的电化学活性材料如碳纳米管等无法与待检测气体接触,严重的制约了石墨烯基材料在电化学气体传感器中的应用,例如,CN102432088A中公开了一种石墨烯-碳纳米管三维纳米结构电容型脱盐电极的制备方法,通过简单的将氧化石墨烯和碳纳米管按照一定比例混合、分散、干燥,在管式炉内进行热处理,得到了一种石墨烯复合材料脱盐电极,然而,该电极灵敏度很低,仅能用于浓度较大的盐溶液的电解,无法实现低浓度气体的检测,CN102203593A中公开了一种类似的石墨烯和碳纳米管的复合结构,检测原理为电阻式半导体气体检测原理,通过吸附在电极上的气体含量对于电阻的影响来检测气体的浓度,通过在碳纳米管上接枝能够与被测气体进行反应的含有特定基团的化合物来增强电极的灵敏度,能够实现氮气中ppb级别的氯气含量的检测,然而,其接枝过程复杂,碳纳米管还需要进行一定的处理,故成本较高,难以进行商业应用。

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成本较低、寿命较长且检测灵敏度较高的基于石墨烯-碳纳米管复合材料的定电位电解型气体传感器,并研究其相应的制备方法。

发明内容

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