[发明专利]一种氨气传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种氨气传感器及其制备方法，氨气传感器包括电极，在所述电极表面覆盖以氮掺杂MXene的复合材料形成的敏感层。本方案的氨气传感器能有效降低氨浓度的检测下限，从而在氨气浓度较低时就能实现对氨气的有效探测，提高了在室温环境下区分氨气浓度微弱变化的能力；同时在带有湿度的空气中探测低浓度的氨气时无基线漂移且具有良好的浓度梯度和重复性。

技术领域

本发明涉及氨气检测技术领域，具体涉及一种氨气传感器及其制备方法。

背景技术

氨气是一种无机物，化学式为NH₃，分子量为17.031，无色、有强烈的刺激气味，密度0.7710g/L。氨气（NH₃）是一种有毒气体，人体吸入氨气会导致各种急性呼吸道疾病,严重的甚至会导致死亡，因此开发一种功耗低、选择性好、灵敏度高以及稳定性好的氨气传感器，实现对氨气的精准探测有着重大的现实意义。

目前，对氨气进行检测的氨气传感器需要氨气浓度达到较高值时才能实现对氨气的灵敏探测，同时环境的湿度也会对氨气传感器对氨气的探测产生影响，但是由于氨气是有毒的气体，其在空气中较小的浓度也会对人体造成伤害，因此如何发明一种氨气传感器，使其在氨气浓度较低时就能实现对氨气的有效探测也成为了急需解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：如何提供一种能有效降低氨浓度的检测下限，从而在氨气浓度较低时就能实现对氨气的有效探测的氨气传感器。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种氨气传感器，包括电极，在所述电极表面覆盖以氮掺杂MXene的复合材料形成的敏感层。

本发明的工作原理是：本发明的氨气传感器，通过在电极表面覆盖以氮掺杂MXene的复合材料形成的敏感层，这样就可以大大降低氨浓度的探测下限，其原理如下：氮掺杂MXene后，由于MXene本身作为一种手风琴状，层间距变宽，而在氮掺杂过程中，在MXene基体的表面和边缘产生了TiO₂纳米颗粒的多晶相（锐钛矿和金红石相），从而产生了一种新的核壳结构，使外表面电子富集和异质结增多，由此共同促进了NH₃的吸附和载流子的传输，从而实现大大降低氨浓度探测下限的目的，同时也提高了在室温环境下区分氨气浓度微弱变化的能力，因此本发明的氨气传感器在氨气浓度较低时就能实现对氨气的有效探测，同时对氨气浓度探测的灵敏度也大大提高。

另外，本方案的氨气传感器在带有湿度的空气中探测低浓度的氨气时无基线漂移且具有良好的浓度梯度和重复性，这是由于，相对于干态，湿度提高了响应/恢复速度和恢复程度。水的解离形成H⁺、H₃O⁺构造了一些传导路径来转移载流子；此外，NH₃分子能可逆地溶解或排出水中，有利于快速建立动态吸附和解吸平衡；同时，预吸附水可能占据了一些高能吸附位，有利于NH₃分子的充分解吸附，从而使氮掺杂MXene器件在带有湿度的空气中探测低浓度氨气无基线漂移且具有良好的浓度梯度和重复性。

优选的，在所述敏感层的表面还覆盖有防水膜。

这样，通过在敏感层的表面设置防水膜，使得常温环境下的湿度变化对氨气传感器的影响降低，在13-79%RH湿度变化范围内，氨气传感器在不同湿度环境下的响应变化微小，稳定性也得到了加强，从而减少了环境湿度对氨气传感器对氨气浓度检测的影响，使得本方案的氨气传感器对氨气浓度的检测数据更加的准确可靠。

优选的，在氮掺杂MXene的复合材料形成敏感层时采用尿素作为氮源。

这样，尿素是由碳、氮、氧、氢组成的有机化合物，尿素中氮的含量较高，且易于获得使用成本较低。

优选的，所述MXene与所述尿素的质量比为1：50-1：80。