[發明專利]金納米團簇/碳布及基于電腐蝕的氨傳感器及其應用

在審

• 申請號: 202110790735.9
• 申請日: 2021-07-13
• 公開（公告）號: CN113720959A
• 公開（公告）日: 2021-11-30
• 發明（設計）人: 臧廣超;張玉嬋;舒丹婷
• 申請（專利權）人: 重慶醫科大學
• 主分類號: G01N31/10
• 分類號: G01N31/10;G01N27/407
• 代理公司: 北京元本知識產權代理事務所(普通合伙) 11308
• 代理人: 黎昌莉

本發明屬于氨檢測技術領域，具體涉及一種金納米團簇/碳布及基于電腐蝕的氨傳感器及其應用。所述金納米團簇/碳布的制備方法包括先將所述碳布浸入HNO₃溶液中，然后去離子水洗滌；將碳布浸入Au離子沉積液中沉積，通過恒電電位法在?(0.2?0.4)v沉積300s?1500s。制備成的氨傳感器的氨檢測范圍為1.5ppm?4775ppm。該金納米團簇/碳布及氨傳感器通過“電腐蝕”進行“傳感”的方法避免了催化反應中高勢壘和有毒產物(N?ads)的限制，并且在連續運行7周后表現出良好的穩定性，而且檢測氨的靈敏度高，檢測范圍廣。

技術領域

本發明屬于氨檢測技術領域，具體涉及一種金納米團簇/碳布及基于電腐蝕的氨傳感器 及其應用。

背景技術

在氨的安培檢測中，電催化界面的構建面臨很大的困難，而電催化界面在氨的電化學傳 感電流響應中起著重要的作用。對于構建電催化傳感界面，目前常使用的是一些具有電催化 活性的天然酶，雜化納米結構和納米酶，然而，由于缺乏相關氨氧化酶的缺乏，氨在金屬表 面氧化需要克服的高能量屏障產物對金屬的毒害作用，通過電催化過程監測氨非常困難。具 體來說，氨的電氧化過程遵循Gerischer-Mauerer的機理，即NH3分子首先吸附在金屬表面 脫質子形成NHX-NHy-ads(x或y＝0-2)，然后克服相當高的能量勢壘形成N-N鍵，從而產生 如式(1)-(5)所示的氮和水，N-ads與金屬表面之間的強吸附反應不可逆地使金屬失活， 限制了大多數金屬催化氨化的可能性。

NH^*+OH^-→N^*+H₂O+e^- (3)

克服由Gerischer-Mauerer機制介導的電催化能壘一直是氨檢測的一大難點。雖然已經 開發了一些電催化界面，但這種傳感器的靈敏度仍然受到能量勢壘和N-吸附質毒性的限制。 因此，在非催化模式下檢測氨氮已成為主要的電化學傳感方法。很少有傳感器依賴電催化氧 化還原反應機制(如方程式(6)所示)，即NH3與AgO和guar gum/Au電極表面上吸附的 O^2-反應，通過不可逆的氧化還原反應形成相應的氮氧化物，向表面提供電子。氧和氨在ZnO 表面發生動態氧化還原反應，氨對氧介導的勢壘的作用使ZnO的電導率增加。

相反，目前更為普遍的技術是檢測通過氨氣的吸附/解吸使半導體空穴濃度改變和導電 聚合物脫質子引起的電阻變化。p型傳感器的NH₃感測能力可歸因于氨孤對電子電荷摻雜與 空穴的相互作用。在傳感器上吸附的氨轉移電子，抵消p型半導體中的空穴，例如rGO和CuO， 空穴的濃度下降，導致傳感器的電阻增加。另一種常用的方法是使用導電聚合物脫質子實現 氨檢測，常使用的脫質子的載體是聚苯胺。導電聚合物傳感器暴露于氨氣后導電聚合物提供 質子，聚苯胺鏈上帶正電荷的-NH-中心提供質子形成NH⁴⁺離子，如等式(7)所示，導致聚合 物的電阻升高從而被檢測。但上述兩種方法仍有不可逆吸附的缺陷，為了克服這種缺陷，通 過相互作用力對載體進行動態改性，以提高NH₃對載體的抗性。例如，通過氫鍵和共價鍵連 接氨，所設計聚合物的結構發生變化，從而引發電阻的增加。

綜上所述，不可逆氧化反應和傳統的吸附/脫附反應雖然都克服了催化反應的能量障礙， 但不可避免地會產生不可逆的中間產物，大大縮短了產品的使用壽命。因此，如何在克服氨 氣傳感器能量障礙的前提下延長其保質期是該領域研究的一大難點。近年來，研究人員通過 分子間作用力和化學鍵設計了動態氨分子的組裝/解聚和傳感界面來解決上述問題。然而， 越來越復雜的分子式轉換將給傳感器行業的生產帶來包括設計和工藝成本控制的挑戰。

發明內容