[发明专利]基于聚苯胺-碳化钒的氨气传感器制备方法及其检测系统和应用

说明书

本发明公开了一种基于聚苯胺‑碳化钒的氨气传感器制备方法及其检测系统和应用，属于传感器材料及气体检测系统领域，将MXene微纳复合材料与传感器结合，构建了一种聚苯胺‑碳化钒电阻式氨气传感器，传感器表面采用PANI‑V₂C复合材料，提高了响应性能，降低传感电阻；本发明还将其与压敏模组相结合，提供自供电的便携式氨气报警系统，能够拓展应用到工业/畜牧业氨气随身检测领域。

技术领域

本发明属于传感器材料及气体检测系统领域，尤其涉及的是一种基于聚苯胺-碳化钒的氨气传感器制备方法及其检测系统和应用。

背景技术

随着现代工业化社会的快速发展，环境污染已大大增加。因此有必要不断监测和控制环境中的污染。为了保护环境并防止对人类的伤害，对有毒气体的检测变得越来越重要。氨气(NH₃)是一种无色有毒的污染气体，广泛存在于人类生活的各个领域，可能致使工业生产中的爆炸事故。除此之外，它还对人体健康构成威胁，即便是低浓度的氨气也会对人体健康产生严重影响，如引起咽喉刺激、皮肤发痒、头晕和恶心等。在大多数工业发达国家，对环境中的有毒气体已经建立了严格的质量标准，氨气也不例外。在家庭和工业工厂的空气中，暴露的氨气浓度水平受到严格限制。美国职业安全与健康研究所(NIOSH)规定了氨气的浓度上限为25ppm。因此，研制高灵敏度的氨气传感器，对监测氨气泄漏及人类的生存环境和健康状态具有重要的现实意义。

导电聚合物聚苯胺(简称PANI)由于具有灵敏度高、环境友好、化学稳定性和单体廉价等优点，被认为是较好的气体检测传感材料。因此，近年来基于PANI纳米复合材料的气体传感器成为人们关注的热点。例如Ma等人开发的基于PANI与PTS掺杂物的氨气传感器对5ppm的腐胺和尸胺的灵敏度分别为46％和17％，并将其用于肉类变质的检测。虽然已经有许多关于基于PANI的氨传感器的现有技术报道，但是由于基于PANI的电阻型传感器的电阻值较高，在应用时难于设计进实际电路，而且其多半响应时间长、响应度低。

二维过渡金属碳化物和碳氮化物统称为MXenes，是由美国德雷塞尔大学发现的一系列新型二维结构材料。由于特殊的化学和物理性质，其作为一种新颖的二维(2d)材料，近年来获得了众多气体传感器领域技术人员的研究。关于MXene气体传感器的现有技术中，最常见的MXene是Ti₃C₂。例如Kim等人通过研究发现室温下Ti₃C₂对挥发性有机化合物气体(氨、乙醇和丙酮)的检测限为非常低的50-100ppb。

因此，从上述相关技术来看，M₂C系列的MXene材料是一种有前景的气体传感器，能够在实验中用于NH₃的检测。而V₂C作为MXene材料中的一种，由于其具有与TiC₂相近的化学特性有望用于气体检测领域。除此之外，MXenes通常具有较低的电阻，这为气体传感器后端的电路设计提供了方便。但是，现有的纯MXene气体传感器患有噪声大和响应低的天生缺陷。大量研究表明，复合材料通常比单一材料具有更好的气敏性能。关于V₂C复合材料的气敏性能的技术很少有公开。

如上所述，近年来现有技术人员在氨气传感器的开发上投入较多，并使其在环境监测中得到了广泛的应用。但是，传统的电阻式氨气传感器内部电阻高且仍需要有线的外部电源供电，无法满足物联网时代的低功率和自供电的要求，或须配备大体积蓄电装置，局限性大，从而限制了其作为便携式系统的应用。因此，有必要开发一种适用于温室环境下的小巧方便且发电量大的自供电电阻式氨气传感器。机械能作为一种随处可见的可持续的能源，广泛分布在日常生活及工业生产的方方面面。但是，大多数机械能并没有被合理有效地利用而是被忽略和浪费。所以，采用合理的方法将这些浪费的机械能用于传感器供电领域，也能有望辅助解决上述技术缺陷。

发明内容