[發明專利]一種膜電極、電化學氣體傳感器及其應用

在審

• 申請號: 201810885715.8
• 申請日: 2018-08-06
• 公開（公告）號: CN108802138A
• 公開（公告）日: 2018-11-13
• 發明（設計）人: 孫庚志;王俏
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: G01N27/30
• 分類號: G01N27/30
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 鞏克棟

本發明提供了一種膜電極、電化學氣體傳感器及其應用，該膜電極以聚合物薄膜為基底，在所述基底上覆有紙團狀石墨烯材料或紙團狀石墨烯基納米復合材料形成的材料層；其制備方法為：將紙團狀石墨烯材料或紙團狀石墨烯基納米復合材料與聚四氟乙烯乳液充分混合，得到混合液；將得到的混合液轉移至聚合物薄膜上形成材料層，制備得到膜電極。該膜電極可直接用于電化學氣體傳感器，并且具有氣體響應性高、響應性快、靈敏度高及檢測限低等優點。

技術領域

本發明屬于電化學傳感器領域，涉及一種膜電極、電化學氣體傳感器及其應用。

背景技術

隨著人們生活水平的提高和對環保的日益重視，對各種有毒、有害氣體(如甲醛、H₂、SO₂、NO_x、CO、H₂S、Cl₂、NH₃和O₃等)的監測，對大氣污染、工業廢氣的監控以及人居住環境質量的監測/檢測等變得尤為重要，因此開發有效的氣體檢測設備已經成為當務之急。

電化學氣體傳感器以靈敏度高、操作簡單、便攜方便、可現場直接和連續檢測等優點，越來越受到人們的青睞。電化學傳感器的關鍵技術是電極材料的設計，電極材料催化性能的好壞直接影響著傳感器的性能?？刂齐娢浑娊庑蜌怏w傳感器通常采用貴金屬納米粒子作為電催化劑，價格昂貴。由于貴金屬類催化劑長期與電解液直接接觸，在工作環境下并不穩定，這在一定程度上影響了電催化劑的壽命，最終導致傳感器靈敏度降低甚至失效。

石墨烯是由sp₂碳原子雜化組成的單個原子厚度的二維晶體結構，這種結構可以看作是一層被剝離的石墨片層，具有優異的力學和電學特性、良好的生物相容性、大的比表面積等特性。這些性質有利于氣體分子在石墨烯表面的吸附，從而改變石墨烯的載流子濃度，引起石墨烯電學性質的變化，進而對氣體分子進行檢測。例如，采用化學氣相沉積制備的單片石墨烯可以被用來構建高靈敏的氣體傳感器并能夠探測單個分子。相比于化學氣相沉積制備的石墨烯，還原氧化石墨烯(rGO)因具有缺陷和官能團等活性位點被廣泛用于氣體檢測中，包括NO₂、NH₃、H₂及有機氣體。在電化學傳感器應用方面，石墨烯獨特的結構使其顯示出不同尋常的性質，對生物小分子的電化學傳感起到了很好的增敏作用。

目前，在電化學傳感器應用中，普遍采用的是以氧化石墨烯為原料制備的石墨烯和石墨烯基納米復合材料。然而，應用時，在氧化石墨烯還原的過程中不可避免的會產生石墨烯層間堆疊，導致石墨烯固有的大比表面積嚴重降低。同時，由于石墨烯自身的疏水性，埋藏于石墨烯層間的電化學活性材料將永遠無法與待檢測氣體和電解液接觸，導致電化學活性材料的利用率極低，嚴重制約了石墨烯基材料在電化學氣體傳感器中的應用。因此，在目前公開的技術中，石墨烯及其復合材料用于氣體傳感器多集中于半導體式檢測原理，如何將石墨烯或石墨烯基納米復合催化劑應用于電化學氣體傳感器中尚未有相關報道。

CN108033440A公開了一種高比面積多孔褶皺石墨烯的制備方法：(1)將氧化石墨烯溶液和水溶性含氮化合物混合，加入造孔劑混合得混合液；(2)將混合液超聲霧化加熱使溶劑揮發得氧化石墨烯/造孔劑粉末顆粒；(3)在惰性氣體保護下熱處理得到高比表面積褶皺石墨烯產品。該發明制備的比面積多孔褶皺石墨烯具有很高的自由體積以及優異的抗壓性能，但是尚未在電化學氣體傳感器中應用。

CN104477886A公開了一種具有褶皺結構的石墨烯，其結構是通過液相環境中使石墨烯收縮而形成表面的高低起伏，這些褶皺呈尖錐形，褶皺的高度、寬度和分布密度都是均勻的，可控的。該發明的褶皺結構石墨烯可用于新能源、傳感器等領域，但是未公開其是否可應用于氣體傳感器。