[发明专利]基于复合材料阻塞效应的二氧化氮传感器及其制备方法

说明书

本发明提供基于复合材料阻塞效应的二氧化氮传感器及其制备方法，涉及气体传感器与复合纳米材料技术领域，包括敏感器件，敏感器件上设置有气敏层，气敏层采用具有阻塞效应的复合材料制成；制备方法包括以下步骤：S1:对敏感器件基底进行预处理，包括清洗、干燥、亲水处理；S2:制备高分子聚合物分散液与无机传导材料分散液；S3:将敏感材料分散液沉积在敏感器件基底上形成气敏层；S4:将具有气敏层的敏感器件进行干燥与老化处理，得到基于复合材料阻塞效应的二氧化氮传感器。本发明二氧化氮传感器具有响应大、响应/恢复速度快、恢复性好、重复性好等特性，同时能在室温下工作，不需要借助光照或者加热等辅助手段，有助于绿色节能、低功耗器件的发展。

技术领域

本发明涉及气体传感器与复合纳米材料技术领域，具体而言，涉及基于复合材料阻塞效应的二氧化氮传感器及其制备方法。

背景技术

作为一种有毒、有刺激性的气体，二氧化氮(NO₂)是主要的大气污染物，能引起大气能见度降低，地表水酸化、富营养化以及水生生物的毒素含量增加；此外，NO₂被人体吸入后，对肺组织具有强烈的刺激性和腐蚀性。因此，开发NO₂气体传感器具有十分重要的意义。

目前，NO₂气体传感器大多基于电子传输机制，如申请号为201910276010.0的发明专利公开了一种基于二维二硫化钼纳米材料的二氧化氮传感器，在紫外光照射下，设置在源极和漏极中间的二硫化钼吸附NO₂气体后，NO₂气体分子捕获二硫化钼的电子，从而引起传感器的电导发生改变。二硫化钼基的气体传感器虽然具有较低的检测限，但恢复时间小于200s，且需要光照辅助手段。如申请号202010017845.7的发明专利公开了一种金修饰的花状SnS2的二氧化氮气体传感器及制备方法。该二氧化氮气体传感器包括气体敏感材料和加热电极，将均匀分布金的花状SnS2涂覆于加热电极的表面。该传感器对8ppm NO₂响应值约为15，响应时间为120.8s，恢复时间为249.4s。虽然很多基于电子传输机制的NO₂气体传感器具有较好的气敏性能，但是在室温下发展高响应、快速、重复性好、可逆性好的气体传感器仍然是一大挑战。

发明内容

本发明提供了基于复合材料阻塞效应的二氧化氮传感器及其制备方法，用以解决现有技术中存在的气体传感器在室温下性能不佳和功耗大的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于复合材料阻塞效应的二氧化氮传感器，包括敏感器件，敏感器件上设置有气敏层，气敏层采用具有阻塞效应的复合材料制成；

阻塞效应为气体分子通过非共价键吸附于敏感材料表面，阻碍离子传导，导致传感器电阻上升；

复合材料为高分子聚合物无机传导材料，高分子聚合物以γ-聚谷氨酸为代表，高分子聚合物带有氨基、羧基、酰胺键或羟基等官能团，高分子聚合物通过与气体分子形成非共价键而进行动态吸附/脱附；无机传导材料以MXene材料为代表，无机传导材料包括具有三维支撑结构的碳系材料；

MXene材料的结构式为M_n+1X_n或M_n+1X_nT_x(n＝1-3)，其中M代表过渡金属，X代表碳和/或氮，T_x代表末端官能团。

进一步地，碳系材料包括单壁或多壁碳纳米管、碳纤维、石墨烯及其衍生物、碳黑。

进一步地，敏感器件为刚性或柔性基底的叉指电极。

进一步地，敏感器件为刚性基底的叉指电极时，采用刚性的硅基衬底或陶瓷衬底或三氧化二铝衬底，敏感器件为柔性基底的叉指电极时，采用柔性的聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氨酯(PU)、布基与纸基中的一种。