基于超细纳米纤维构建的高灵敏甲醛气体传感器研究

Research and development of the novel nanomaterials modified gas sensors have scientific significance and practical value for environmental monitoring. Novel two-dimensional spider-web-like sensing membranes (nano-nets) with ultrathin diameter (20 nm) supported by electrospun nanofibers were fabricated. Three-dimensional fibrous sensing membranes with the unique transport network have larger specific surface area and porosity, which great enhanced the sensor performance. In this work, we will fabricate highly sensitive and selective formaldehyde sensors with online and trace detection ablity using nano-nets as sensitive coatings on quartz crystal microbalance (QCM), simulating dynamic evolution process of nano-nets, establishing the regulation mechanism of nano-nets mesoscopic morphological structure, building electric-fluid mechanics model of the formation of nano-nets in the complex outfield, studying the targeted deposition technology of nano-nets, optimizing surface modification and assembly strategis of fibrous membranes, revealing the micro-mechanism of interaction between gas molecules and the surface of nano-nets materials, establishing the on-line detection system of QCM-based formaldehyde sensors, achieving highly sensitive detection of 50 ppb formaldehyde, to fulfill the urgent needs of monitoring and controlling indoor formaldehyde.

研制和开发新型纳米材料修饰的气体传感器在环境监测领域具有重要的科学意义和实用价值。申请者现制备出一种以静电纺纤维为支架的、具有类似于蜘蛛网结构的新型二维网状传感膜材料（纳米蛛网），网中纤维的平均直径小于20nm。纳米蛛网独特的输运网络赋予三维立体纤维传感膜以较高的比表面积和孔隙率，可大幅提升传感器的性能。本项目将纳米蛛网与石英晶体微天平（QCM）检测技术结合，构建高灵敏度和高选择性在线检测超痕量甲醛的气体传感器。模拟纳米蛛网材料成型的动态演变过程，确立蛛网介观形态结构的调控机制；建立复杂外场条件下纳米蛛网成型过程的电流体力学模型；研究纳米蛛网定位沉积控制技术，优化纤维膜表面修饰与组装的方法；揭示气体分子在纳米蛛网材料表界面相互作用的微观机理；构建高基频甲醛气体QCM在线检测系统，实现传感器对50ppb甲醛气体的无干扰、高灵敏检测，以满足室内甲醛气体监测和控制的迫切需求。

甲醛是室内空气的主要污染物之一，实现对其快速、高灵敏检测已成为环境污染监测领域的重要研究方向。然而现有甲醛传感器多以比表面积小的实心膜为传感材料，存在灵敏度低、响应速率慢的不足。本项目“基于超细纳米纤维构建的高灵敏甲醛气体传感器研究”利用新型静电喷网技术制备出一种超细纳米纤维（纳米蛛网），并结合表面化学修饰技术，建立了新型超细纳米纤维石英晶体微天平（QCM）甲醛传感器，通过优化超细纤维材料本体结构，研究甲醛分子在纳米纤维材料表界面相互作用的微观机理，实现了对甲醛气体的高灵敏检测。项目执行期间主要开展了以下几个方面的研究工作：（1）从聚合物溶液本体特性出发，探究了聚合物浓度、溶剂种类及比例、溶液表面张力对纳米蛛网形貌的影响，实现了纳米蛛网形态结构的精确调控，掌握了纳米蛛网材料可控制备的科学方法，获得了9种聚合物纳米蛛网材料；（2）引入Rayleigh稳定极限模型深入分析了静电喷网过程，研究了微小带电液滴产生以及在高速飞行中的形变规律，提出了两种基于不同荷电流体形态的喷射模式，确立了微小带电液滴产生的临界条件，同时提出了聚合物溶液非稳区旋节线相分离成网理论，构建了微小液滴热致相分离理论相图；（3）制备了以壳聚糖、聚酰胺6纳米蛛网材料为基材，以聚乙烯亚胺、聚乙烯胺为传感物质的甲醛气体传感膜材料，实现了新型二维纳米蛛网材料与高基频QCM的联用，搭建了10MHz高基频QCM甲醛气体检测平台，探索了传感物质中官能团浓度及传感物质吸附量对甲醛响应性能的影响规律，通过对其本体结构的不断优化，最终实现了对甲醛气体的检测极限50ppb，响应时间60s的目标。经过四年的研究，现已顺利完成任务书中规定的任务，项目执行期间在Prog. Mater. Sci.、Small、J. Mater. Chem. A等杂志发表SCI论文21篇，申请发明专利10项，获授权7项，共培养研究生7名，其中博士5名，硕士2名，本项目的完成对探究二维纳米蛛网的成型机理，实现其可控制备及在QCM甲醛气体传感领域中的应用具有重要意义。