[發明專利]一種氨氣傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 202110762377.0
• 申請日: 2021-07-06
• 公開（公告）號: CN113447534B
• 公開（公告）日: 2023-01-06
• 發明（設計）人: 周泳;王宇航;王艷杰;張睿杰;李璟;李嫻
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12
• 代理公司: 重慶博凱知識產權代理有限公司 50212
• 代理人: 項曉丹

本發明公開了一種氨氣傳感器及其制備方法，氨氣傳感器包括電極，在所述電極表面覆蓋以氮摻雜MXene的復合材料形成的敏感層。本方案的氨氣傳感器能有效降低氨濃度的檢測下限，從而在氨氣濃度較低時就能實現對氨氣的有效探測，提高了在室溫環境下區分氨氣濃度微弱變化的能力；同時在帶有濕度的空氣中探測低濃度的氨氣時無基線漂移且具有良好的濃度梯度和重復性。

技術領域

本發明涉及氨氣檢測技術領域，具體涉及一種氨氣傳感器及其制備方法。

背景技術

氨氣是一種無機物，化學式為NH₃，分子量為17.031，無色、有強烈的刺激氣味，密度0.7710g/L。氨氣（NH₃）是一種有毒氣體，人體吸入氨氣會導致各種急性呼吸道疾病,嚴重的甚至會導致死亡，因此開發一種功耗低、選擇性好、靈敏度高以及穩定性好的氨氣傳感器，實現對氨氣的精準探測有著重大的現實意義。

目前，對氨氣進行檢測的氨氣傳感器需要氨氣濃度達到較高值時才能實現對氨氣的靈敏探測，同時環境的濕度也會對氨氣傳感器對氨氣的探測產生影響，但是由于氨氣是有毒的氣體，其在空氣中較小的濃度也會對人體造成傷害，因此如何發明一種氨氣傳感器，使其在氨氣濃度較低時就能實現對氨氣的有效探測也成為了急需解決的技術問題。

發明內容

針對現有技術存在的上述不足，本發明要解決的技術問題是：如何提供一種能有效降低氨濃度的檢測下限，從而在氨氣濃度較低時就能實現對氨氣的有效探測的氨氣傳感器。

為了解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：

一種氨氣傳感器，包括電極，在所述電極表面覆蓋以氮摻雜MXene的復合材料形成的敏感層。

本發明的工作原理是：本發明的氨氣傳感器，通過在電極表面覆蓋以氮摻雜MXene的復合材料形成的敏感層，這樣就可以大大降低氨濃度的探測下限，其原理如下：氮摻雜MXene后，由于MXene本身作為一種手風琴狀，層間距變寬，而在氮摻雜過程中，在MXene基體的表面和邊緣產生了TiO₂納米顆粒的多晶相（銳鈦礦和金紅石相），從而產生了一種新的核殼結構，使外表面電子富集和異質結增多，由此共同促進了NH₃的吸附和載流子的傳輸，從而實現大大降低氨濃度探測下限的目的，同時也提高了在室溫環境下區分氨氣濃度微弱變化的能力，因此本發明的氨氣傳感器在氨氣濃度較低時就能實現對氨氣的有效探測，同時對氨氣濃度探測的靈敏度也大大提高。

另外，本方案的氨氣傳感器在帶有濕度的空氣中探測低濃度的氨氣時無基線漂移且具有良好的濃度梯度和重復性，這是由于，相對于干態，濕度提高了響應/恢復速度和恢復程度。水的解離形成H⁺、H₃O⁺構造了一些傳導路徑來轉移載流子；此外，NH₃分子能可逆地溶解或排出水中，有利于快速建立動態吸附和解吸平衡；同時，預吸附水可能占據了一些高能吸附位，有利于NH₃分子的充分解吸附，從而使氮摻雜MXene器件在帶有濕度的空氣中探測低濃度氨氣無基線漂移且具有良好的濃度梯度和重復性。

優選的，在所述敏感層的表面還覆蓋有防水膜。

這樣，通過在敏感層的表面設置防水膜，使得常溫環境下的濕度變化對氨氣傳感器的影響降低，在13-79%RH濕度變化范圍內，氨氣傳感器在不同濕度環境下的響應變化微小，穩定性也得到了加強，從而減少了環境濕度對氨氣傳感器對氨氣濃度檢測的影響，使得本方案的氨氣傳感器對氨氣濃度的檢測數據更加的準確可靠。

優選的，在氮摻雜MXene的復合材料形成敏感層時采用尿素作為氮源。

這樣，尿素是由碳、氮、氧、氫組成的有機化合物，尿素中氮的含量較高，且易于獲得使用成本較低。

優選的，所述MXene與所述尿素的質量比為1：50-1：80。