[发明专利]离子传导型金属-有机框架薄膜化学传感器及制备方法

说明书

本发明提供一种离子传导型金属‑有机框架薄膜化学传感器及制备方法，传感器包括：衬底、金属‑有机框架化合物薄膜层和电极；方法包括：制作衬底；对衬底进行超声清洗、冲洗和吹干，得到干燥的衬底；采用多种有机配体，将含有有机配体的雾化溶液均匀地喷在配位金属离子的去离子水溶液的表面，水表面出现金属‑有机框架化合物薄膜，而后用除去薄膜表面的残余反应溶液，使薄膜自然降落在衬底表面，待自然干燥后，在真空条件下加热薄膜去除残留水分，得到金属‑有机框架化合物薄膜层；使用掩膜版遮挡金属‑有机框架化合物薄膜层顶部，并将电极蒸镀到金属‑有机框架化合物薄膜层上表面，得到离子传导型金属‑有机框架化合物薄膜化学传感器。

技术领域

本发明属于化学传感器领域，具体涉及一种离子传导型金属-有机框架薄膜化学传感器及制备方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展，人们对理想电源的需求也在不断增长。锂离子电池作为最理想的动力和储能系统之一，以其高充放电速率、高能量密度等特点成为现代社会新型能源系统中不可缺少的组成部分。然而，作为一种化学储能电池，锂离子电池在加热、挤压、碰撞等条件下的安全性能引起了消费者的高度关注。尤其是三星Galaxy Note 7手机爆炸事件，特斯拉S型、蔚来ES8型等电动汽车自燃事件给锂离子电池的进一步商业化应用蒙上了阴影。研究表明，锂离子电池安全问题一般伴随着电解液的泄露、电池内部热失控，积累的热量引燃泄露的电解液蒸汽造成的。因此，电解液的泄露可视为电池安全问题出现的先兆。在电池结构和组成暂时没有突破性进展的当下，实时监测电池的状态是保证其安全使用的有效途径之一。然而，早期微量电解液的泄露很难对电池的状态造成影响，难以被发现，但泄漏点的存在已经对电池的安全造成严重威胁。因此，能够高效检测微量电解液泄露并提前预警的传感器可能是最后一道保障用户安全的屏障。目前，锂离子电解质主要由低极性、易挥发、氧化还原惰性溶剂如碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲酯(EMC)、碳酸乙烯酯(EC)等组成，这些都是已知传感器难以检测到的。因此，开发能有效检测微量电解液泄露的传感器迫在眉睫，具备极其重要的现实意义。

目前，应用范围比较广泛的是无机半导体传感器，具有灵敏度高、稳定性好等特点，但往往需要加热到几百摄氏度高温才能实现灵敏传感，在复杂环境中常会有误判、误报等问题。近年来，有机半导体传感器以其化学结构易修饰、在制备柔性可穿戴设备上极具优势等特点而蓬勃发展。但其传感层比表面积低，同一时间只有少数气体分子能够在薄膜内部扩散传输和载流子相互作用，且作用模式较为单一，故灵敏性和选择性较差。此外，受制于电场环境下有机分子的寿命，上述半导体长时间稳定性难以得到保证。另外，现在基于MOF材料的化学传感器有所发展，但是现有的MOF化学传感器所用的MOF材料一般都是绝缘的或者是电子传导，而利用电子导电的MOF材料载流子(也就是电子)特性单一，对传感器的性能和应用范围有所限制。在人们的日常生活中需要低成本易操作的检测方法，现有的检测仪器和手段的应用受到很多方面的限制。因此，研究一种低成本，易操作，小型化和便携化，对锂电池电解液的泄露进行实时监测的传感器具有非常重大的科研意义。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种能对微量锂离子电池电解液实现瞬时高效的检测的离子传导型金属-有机框架薄膜化学传感器及制备方法。

本发明提供了一种离子传导型金属-有机框架薄膜化学传感器，用于监测锂离子电池电解液泄露，具有这样的特征，包括：衬底、设置于衬底的上表面的金属-有机框架化合物薄膜层以及设置于金属-有机框架化合物薄膜层上表面的电极。

在本发明提供的离子传导型金属-有机框架薄膜化学传感器中，还可以具有这样的特征：其中，衬底采用的材料为不导电的无机材料、不导电的有机材料或不导电的高分子材料。

在本发明提供的离子传导型金属-有机框架薄膜化学传感器中，还可以具有这样的特征：其中，金属-有机框架化合物薄膜层为三维薄膜，该三维薄膜采用有机配体为核心有机骨架以及金属离子为结点，通过自组装生成二维网状拓扑结构，再通过层层堆叠形成得到。