- 檢測有毒氣體的微型傳感器在實驗室中顯示出可喜的結果
- 來源：Lilly Matson，新南威爾士大學 發(fā)表于 2024/12/24
新南威爾士大學悉尼分校的一個科學家團隊開發(fā)了一種高靈敏度的微型傳感器，能夠檢測低水平的有毒氣體二氧化氮 （NO2).這個小巧靈活的傳感器可以實時檢測有害氣體，而無需外部能源。
氣體傳感器用途廣泛，特別是在健康和安全法規(guī)中，用于監(jiān)測可燃、易燃和有毒氣體的存在。
該傳感器的尺寸約為 2cm x 2cm，厚度僅為 0.4mm，有可能克服氣體傳感器的一些現有限制，包括尺寸受限、成本高和能耗高。
這個新原型由 Jiyun Kim 女士、Tao Wan 博士、Long 胡 博士、Dewei Chu 教授和新南威爾士大學材料科學與工程學院的一個團隊開發(fā)，對 NO 具有很高的敏感性2并且可以在室溫下運行。
發(fā)表在《先進科學》（Advanced Science）雜志上的最新研究還概述了如何使用復雜的打印技術可持續(xù)地生產傳感器的關鍵組件。
朱教授說：“這令人興奮，因為這不僅僅是為了科學而科學——這在實際應用中具有很大的潛力。
“它是可持續(xù)的，并顯示出卓越的性能，這讓人感覺我們正在為革命性氣體傳感器做出貢獻，這些傳感器可以在可穿戴傳感應用和大規(guī)模生產中實施�！�
氣體傳感器的用途是什么？
氣體傳感器廣泛用于不同的目的。最常見的是，它們用于健康和安全目的，例如檢測危險水平的有毒氣體，包括一氧化碳 （CO） 和 NO2.NO 水平2在排放源眾多的區(qū)域（包括繁忙的道路、工廠和發(fā)電廠）可能特別高。
“其他氣體傳感器包括汽車發(fā)動機中的氣體傳
感器，用于檢測氧氣含量，”Chu 教授說�！斑@是因為您需要調整燃料和氧氣的比例以獲得良好的效率。
“它們還用于醫(yī)療保健環(huán)境，例如識別人們呼吸的成分�！�
然而，這些現有傳感器存在一些限制，包括運行所需的尺寸和高能耗，以及傳感器的靈敏度有限和隨著時間的推移而退化。
“目前的氣體傳感器可能很復雜，這也意味著它們可能非常昂貴，”Chu 教授說�！袄�，我們手套箱中的氧傳感器每個的成本$US 5,000 美元。”
為了應對這些挑戰(zhàn)，需要不斷進行研究和開發(fā)，以提高其準確性、可靠性和多功能性。因此，Chu 教授和他的團隊著手創(chuàng)造一種輕便、經濟實惠的傳感器來檢測 NO2.
2D 打印作為一種可持續(xù)的生產技術
該團隊從一種眾所周知的、有前途的化合物開始研究，由于其可持續(xù)性和生物相容性，該化合物以前曾被用于傳感應用：二硫化鉬 （MoS2).
“我的研究小組一直在研究 MoS 的潛力2作為傳感設備已超過八年，“Chu 教授說。
“MoS 有兩個不同的子組2，一種導電性更強（意味著它更擅長導電），另一種導電性較差。
“我們發(fā)現，將這兩個亞組結合起來可以產生最好的氣體傳感器化合物，保持其導電性（這對這些傳感器來說是必不可少的），同時對外部氣體成分也很敏感�！�
組合 MoS 的兩個亞型2，該團隊對可溶性化合物進行了幾項額外的更改�！袄�，我們還在可溶性混合物中添加了氮氣，以提高其靈敏度，”Chu 教授說。
當 NO2分子劃傷表面，MoS2化合物具有吸收該分子的能力�！霸诓蹲� NO2分子中，表面電阻會發(fā)生變化，然后我們可以記錄室溫下電導率的變化。
這款迷你傳感器更獨特的是它是使用 2D 打印技術構建的。
“2D 打印技術與 3D 打印類似，不同之處在于它發(fā)生在非常精細的表面上，以最大限度地降低傳感器的生產成本，”Chu 教授說�！斑@個過程涉及小結節(jié)，這些結節(jié)將可溶性材料注入到平坦的表面上�！�
該團隊使用這種 2D 打印構建了傳感器的兩個組件。“我們實際上使用 2D 打印打印出導電納米材料，這些材料充當我們的傳感器電極，”朱教授說�！叭缓笪覀兇蛴鞲衅鞑牧媳旧恚� MoS2我們在實驗室中開發(fā)的。
有希望的初步結果
現有的商用氣體傳感器由于能耗高、精度低、實時監(jiān)測緩慢以及缺乏痕量濃度檢測能力，遇到了限制其開發(fā)和各種應用的關鍵問題。
“目前市場上的氣體傳感器的原理是必須加熱，有時高達 300°C，否則無法檢測到，”Chu 教授說�！耙驗槲覀兊脑O備可以在室溫下工作，所以它需要的能源要少得多。”
實驗室測試發(fā)現，他們的 MoS2基于傳感器的靈敏度高達 10ppm NO2— 這意味著傳感器能夠成功檢測 10 個 NO 顆粒2在 1 萬個氣體顆粒中。
雖然 NO2天然存在于空氣中極少量，主要來源是人類活動，如燃燒煤炭，而高濃度的氣體對人類生命構成威脅。濃度為 50–100 ppm NO2可能導致遲發(fā)性肺損傷，超過 200ppm 被認為對生命構成直接危險。
下一代氣體傳感技術
由于其微型尺寸和低能耗，這款可穿戴設備具有廣泛的用途，特別是在不同工作環(huán)境中安全測量氣體濃度時。
“我們希望致力于設計可穿戴傳感設備來監(jiān)測空氣質量，例如用于采礦現場或倉庫的工業(yè)安全系統，因為 NO 濃度2可能會特別高，“Chu 教授說。
雖然這一發(fā)展代表了下一代氣體傳感器技術的一大進步，但朱教授解釋說，仍有待改進，例如測試對其他氣體的敏感性，這反過來又將擴大其潛在應用范圍。
“由于安全問題，我們接觸的氣體范圍有限，例如揮發(fā)性有機化合物或其他有毒氣體，如臭氧 3 或 CO，”他說�！叭绻覀兡軠y試更廣泛的氣體，以評估我們的傳感器如何對其他目標氣體起作用，那就太好了。”
更多信息：Jiyun Kim 等人，用于高靈敏度柔性 NO2 傳感器的 MoS2 協同相位調制和 N 摻雜，Advanced Science （2024）。
DOI： 10.1002/advs.202410825
期刊信息： Advanced Science
由新南威爾士大學提供
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