基于石墨烯/贵金属纳米颗粒复合材料的电化学NH3气体传感器的制备及优化

Ammonia is a toxic and explosive gas and should be monitored as long as it is present. Electrochemical gas sensors show good linearity and low power consumption and hence have been applied worldwide. Ammonia is a difficult gas to be monitored by electrochemical method because most of current electrochemical sensors utilize water-based electrolyte, which evaporates in a dry environment readily. We will synthesize noble metal nanoparticle loaded graphene and utilize it as working electrode, together with low vapor pressure ionic liquid as electrolyte for ammonia electrochemical gas sensor. The relationship between noble metal weight ratio, pore size of gas diffusion membrane, ionic liquid weight ratio and sensor performance will be investigated. Within the scope of this project, amperometric electrochemical ammonia gas sensor with high sensitivity, good linearity and broad working temperature can be expected.

人体在700 mg /m3（1000 ppm) 的氨气环境中，持续吸入30 min，即可中毒。吸入过多，能引起肺肿胀，以至死亡。因此，氨气电化学气体传感器研发具有重要现实意义。由于电化学传感器具有线性好、能耗低等优点，电化学传感器得到很广泛的应用。就大多数NH3电化学气体传感器而言，由于使用了易挥发的水基电解液，在干燥环境下，该传感器易失效。我们将以石墨烯/贵金属纳米颗粒复合材料为电化学NH3气体传感器的工作电极，以低熔点且不易挥发的离子液体共熔体为电解液来制备电化学NH3气体传感器。我们将探明贵金属纳米颗粒重量比、气体扩散膜的气孔大小、离子液体共熔体的配比和NH3气体传感器气敏性能的关系，为得到高灵敏度、高稳定性、宽广工作温区的电化学NH3气体传感器打下基础。

电化学气体传感器具有体积小、成本低、灵敏度高和功耗低等优点，在低浓度有毒、可燃气体的定量检测方面具有明显优势。本项目利用贵金属纳米催化剂高的灵敏性和优异的选择特异性，设计了三电极模型，制作出氨气、氢气的电化学气体传感原型器件，研究了传感特性对PTFE膜气孔尺寸的依赖关系，开发出手持便携式气体检测报警器，初步探索了电化学气体传感器在物联网中的应用。同时，在保证传感器灵敏度和响应时间的前提下，发展了贵金属纳米颗粒与石墨烯复合的新型催化剂制备方法，明确了纳米颗粒的最佳用量和均匀分散的最佳工艺参数。此外，本项目探索了水热生长过渡金属氧化物纳米材料的方法，明确了表面活性剂诱导生长的作用机理，掌握了几种基于晶面暴露或分级多孔结构纳米材料的最优制备工艺参数，探明了晶面暴露和单晶多孔结构对气敏性能的增强效果，及其对气体吸/脱附和信号传输的作用机制，获得了多种形貌结构丰富、气敏性能优异的过渡金属氧化物纳米材料，推动了金属氧化物在气体传感领域中的发展。本项目的研究能为电化学气体传感原型器件的开发和应用提供直接的技术指导，能使气体传感器在传感领域展现潜在的应用前景。