CN109490379B

CN109490379B - 气体传感器及其应用、设备和气体传感器的制备方法

Info

Publication number: CN109490379B
Application number: CN201811614104.6A
Authority: CN
Inventors: 吴进; 吴子轩
Original assignee: Sun Yat Sen University
Current assignee: Hefei Minglong Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2020-08-25
Anticipated expiration: 2038-12-27
Also published as: CN109490379A

Abstract

本发明提供一种气体传感器及其应用、设备和气体传感器的制备方法，所述气体传感器包括凝胶，所述凝胶包括聚合物网络、与所述聚合物网络结合共同形成凝胶态的溶剂以及溶解在所述溶剂中的电解质盐，所述聚合物网络具有用于与待测气体结合的功能基团。

Description

气体传感器及其应用、设备和气体传感器的制备方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种气体传感器及其应用、设备和气体传感器的制备方法。

背景技术

柔性可拉伸传感器能紧密贴在具有复杂形状的弯曲结构的表面，因此在电子皮肤、可穿戴式电子、人机界面、柔性机器人和健康医疗等多个领域展现出广阔的应用前景。在各种应用中，气体检测显得日益重要。在穿戴式应用中，气体传感器可贴在弯曲结构的表面(例如衣服、动物和机器人皮肤等)进行实时检测。在柔性机器人的应用中，人们希望电子皮肤不仅能像人类的皮肤一样具有伸缩的能力，而且能像人的鼻子一样，能在复杂环境中“闻”到有害气体(电子鼻)，从而警告人们远离不利环境。另外，设置在衣服、袜子、手套和包包等服饰上面的可穿戴式化学传感器通过测量人体的气味和湿度可以检测人体的健康情况；通过测量环境中的有毒气体或者爆炸性物质的浓度可以提醒人们避开潜在的危险。但当穿戴者穿上、脱下、清洗这些可穿戴式服饰时，甚至在日常运动的过程中时，这些穿戴式传感器很容易被拉长。因此，柔性可拉伸的气体传感器的研发很有必要。

目前报道的柔性气体传感器大多数基于无机纳米材料，包括石墨烯、MoS₂、碳纳米碳(CNTs)和胶体量子点等。制备这些柔性NO₂气体传感器需要使用额外的柔性基底作为支撑，但这些器件均缺乏可拉伸性。例如，有报道利用MoS₂作为薄膜晶体管(TFT)的通道材料，同时利用还原氧化石墨烯(RGO)作为TFT的电极材料，在聚对苯二甲酸乙二酯(PET)柔性基底上制备了NO₂气体传感器。PET和纸等柔性基底虽然可以经受弯曲，但却不易制备可拉伸的传感器。也有少数报道将石墨烯等气敏材料沉积在可拉伸的基底例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(Ecoflex)上制备可拉伸的气体传感器，但这种方法需要复杂的工艺来制备可拉伸的系统，因此如何通过简单的制备方法得到可拉伸性的气体传感器是我们亟待解决的问题。

发明内容

基于此，有必要提供一种气体传感器及其应用、设备和气体传感器的制备方法。

本发明提供一种气体传感器，包括凝胶，所述凝胶包括聚合物网络、与所述聚合物网络结合共同形成所述凝胶的溶剂以及溶解在所述溶剂中的电解质盐。

在其中一个实施例中，所述聚合物网络具有用于与待测气体结合的功能基团，所述待测气体优选为NO₂和NH₃中至少一种，优选的，所述功能基团包括-NH₂、SO₃ ^-和-OH中的至少一种，更优选包括-NH₂、SO₃ ^-和-OH。

在其中一个实施例中，所述溶剂包括水，并且包括或不包括有机溶剂，所述有机溶剂优选为碳原子数为1～10的小分子多元醇，更优选为丙三醇和乙二醇中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述凝胶为双网络凝胶，包括第一聚合物网络和第二聚合物网络。

在其中一个实施例中，所述第二聚合物网络用于包覆所述溶剂，所述第一聚合物网络用于增强所述凝胶的力学强度，优选的，所述第一聚合物网络与所述第二聚合物网络的质量比为16:1～1.3:1，优选的，所述第一聚合物网络为聚丙烯酰胺，所述第二聚合物网络为卡拉胶。

在其中一个实施例中，所述凝胶具有透明性，所述凝胶在可见光波段的光学透过率大于60％，所述凝胶的拉伸应变性大于1200％。

在其中一个实施例中，还包括电极，所述电极用于测量能够反映所述电解质盐在所述凝胶中的离子迁移速率的参数，优选的，所述参数为所述电解质盐的离子电导率或离子电阻率，或者所述凝胶的电阻。

在其中一个实施例中，还包括所述参数的检测装置，与所述电极电连接，用于通过所述电极测量所述参数。

在其中一个实施例中，还包括包裹在所述凝胶外用于隔离湿气的包装。

本发明还提供一种所述的气体传感器的应用，所述气体传感器用于通过所述电解质盐在所述凝胶中的离子迁移速率的变化检测环境中的待测气体的浓度变化。

本发明还提供一种设备，所述设备为可穿戴气体感测装置、气体感测电子皮肤、人机界面、柔性机器人或医疗设备，所述设备包括所述的气体传感器。

在其中一个实施例中，所述设备还包括柔性基底和/或报警器，所述气体传感器层叠设置在所述柔性基底表面，当所述气体传感器感测到待测气体浓度超过设定值时所述报警器报警。

本发明还提供一种气体传感器的制备方法，包括如下步骤：

将单体、交联剂、引发剂、第二聚合物、电解质盐以及溶剂在加热条件下混合均匀，得到混合溶液，所述单体、所述交联剂及所述引发剂用于形成第一聚合物网络，所述第二聚合物能够与所述溶剂形成凝胶；

使所述单体、所述交联剂及所述引发剂在所述混合溶液中发生交联聚合反应形成所述第一聚合物网络，然后冷却形成第二聚合物网络，得到所述凝胶。

在其中一个实施例中，当所述溶剂为水时，还包括将所述凝胶置于有机溶剂中浸泡，所述有机溶剂优选为碳原子数为1～10的多元醇，更优选为丙三醇和乙二醇中的至少一种。

本发明提供的气体传感器，利用凝胶特性，使待测气体吸附并溶解在凝胶的溶剂中，待测气体的浓度影响凝胶中电解质盐的阴阳离子的迁移，从而产生电学信号，形成凝胶对待测气体浓度的响应。利用凝胶作为气体传感器，可使传感器具备优异的可拉伸性和柔性，能广泛应用于可穿戴器件中。

附图说明

图1为本发明实施例双网络凝胶的一锅法合成过程及结构示意图；

图2为本发明实施例双网络凝胶的丙三醇和乙二醇与水分子结合示意图；

图3为本发明实施例双网络凝胶作为气体传感器的电荷传输示意图；

图4为本发明实施例双网络凝胶的柔性及拉伸特性测试图；

图5为本发明实施例双网络凝胶-18℃低温保存后的抗冻效果测试图；

图6为本发明实施例双网络凝胶的自修复特性测试图；

图7为本发明实施例双网络凝胶的光学透过率测试数据图；

图8a为本发明实施例双网络凝胶未形变时作为气体传感器暴露于不同浓度NO₂气体时的动态响应曲线；

图8b为本发明实施例双网络凝胶未形变时作为气体传感器对NO₂气体浓度响应线性拟合曲线；

图8c为本发明实施例双网络凝胶未形变时作为气体传感器对100ppbNO₂气体的动态响应曲线；

图8d为本发明实施例双网络凝胶未形变时作为气体传感器对500ppb NO₂气体的不同暴露时间循环测试动态响应曲线；

图8e为本发明实施例双网络凝胶未形变时作为气体传感器对500ppb NO₂气体的三次循环测试响应结果；

图8f为本发明实施例双网络凝胶未形变时作为气体传感器对500ppb NO₂气体一个周期的试验中响应时间和恢复时间测试曲线；

图9a为本发明实施例双网络凝胶未形变、扭曲180°和弯曲180°状态下对NO₂气体的响应曲线；

图9b为本发明实施例双网络凝胶拉伸0％、拉伸50％、拉伸100％状态下对NO₂气体的响应曲线；

图9c为本发明实施例双网络凝胶不同拉伸状态下对NO₂气体的响应的线性拟合曲线；

图9d为本发明实施例双网络凝胶不同形变状态下对NO₂气体的响应；

图9e为本发明实施例1双网络凝胶以及实施例3丙三醇修饰的双网络凝胶对不同浓度NO₂气体的动态响应曲线；

图9f为本发明实施例1双网络凝胶以及实施例3丙三醇修饰的双网络凝胶对NO₂气体响应随NO₂气体浓度变化的示意图；

图10为本发明实施例1双网络凝胶以及实施例3丙三醇修饰的双网络凝胶在2ppmNO₂中连续监测9个月对气体的响应结果图。

其中，附图标号为：N,N’-亚甲基双丙烯酰胺1，氯化钾离子2，丙烯酰胺单体3，卡拉胶4，聚丙烯酰胺5，卡拉胶网络6，氢键7，水分子8，丙三醇分子9，乙二醇分子10，电极11，NO₂12。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种气体传感器，包括凝胶，所述凝胶包括聚合物网络、与所述聚合物网络结合共同形成所述凝胶的溶剂以及溶解在所述溶剂中的电解质盐。

本发明实施例提供的气体传感器，当待测气体浓度较大时，可使待测气体吸附并溶解在凝胶的溶剂中，并对同样溶解在溶剂中的电解质盐的阴阳离子的迁移产生阻碍，使离子迁移速率减小，当待测气体浓度减小，待测气体脱吸附，对离子迁移的阻碍作用减小，离子迁移速度增大，离子迁移速度的变化可通过凝胶的电阻等参数反映，从而形成凝胶对待测气体的响应。利用凝胶作为气体传感器，可使传感器具备优异的可拉伸性和柔性，能广泛应用于可穿戴器件中。

所述聚合物网络可具有功能基团，能够与待测气体结合，使所述待测气体更容易的被所述凝胶吸附并进入所述溶剂中。所述待测气体为易于与所述功能基团结合的气体，优选为NO₂和NH₃中至少一种。所述功能基团可与所述待测气体通过氢键、π键或其他多种形式的相互作用进行结合。

所述功能基团优选包括-NH₂，SO₃ ^-和-OH中的至少一种，更优选包括-NH₂，SO₃ ^-和-OH。所述-NH₂和-OH可以与NO₂、NH₃等分子形成氢键，所述SO₃ ^-因电负性强可与氧化性强的待测气体分子，如与NO₂产生相互作用，促进NO₂的吸附。可以理解，气体传感器的灵敏度与待测气体是否能够在外部环境中待测气体浓度上升时较快进入所述溶剂，并在外部环境中待测气体浓度下降时较快脱出所述溶剂有关。利用-OH、-NH₂及SO₃ ^-能与NO₂、NH₃分子形成的氢键或π键等相互作用，促进待测气体的快速吸附并进入所述溶剂中，且氢键或π键提供的结合力相对较弱，当外部环境中待测气体浓度下降时溶剂中的气体能迅速脱附，使气体传感器具有较高的灵敏度。所述溶剂用于溶解所述电解质盐，形成阴阳离子。优选的，所述溶剂包括水，所述凝胶为水凝胶。所述溶剂还可包括或不包括有机溶剂，所述有机溶剂优选为小分子多元醇，更优选为丙三醇和乙二醇中的至少一种。所述有机溶剂可选择为能够提高凝胶保水性的醇类溶剂，例如C原子数为1～10的小分子多元醇，解决凝胶中水分易蒸发的问题，提高凝胶的耐高温性，同时还能够降低溶剂的凝固点，提高凝胶的抗冻性，使传感器能在较宽的温度范围内正常工作。在一实施例中，所述有机溶剂为丙三醇和乙二醇中的至少一种，丙三醇和/或乙二醇与水的混合溶液的冰点可达到负温度，可提高所述凝胶的抗冻性能。进一步，所述小分子多元醇溶剂均含有多个-OH基团，能够与NO₂、NH₃分子形成氢键，促进NO₂、NH₃气体的吸附，进一步提高对待测气体检测的灵敏度。

所述凝胶可具有透明性，优选的，所述凝胶在可见光波段的光学透过率超过60％。具有透明凝胶的气体传感器例如可以安装在显示屏或窗户上，形成透明的气体传感层。

所述凝胶可具有多孔性，可更有利于待测气体的吸附。在一实施例中，可以在所述凝胶的聚合物网络的形成过程中加入成孔剂形成均匀微孔，提高凝胶的多孔性。

为了增强凝胶的力学强度，提高凝胶的可伸缩性和使用寿命，优选的，所述凝胶为双网络凝胶，包括第一聚合物网络和第二聚合物网络。第一聚合物网络和第二聚合物网络可均匀混合。

所述第一聚合物网络可选择为能够与溶剂形成凝胶的聚合物，用于包覆所述溶剂形成凝胶，所述第二聚合物网络均匀分布在所述凝胶中，用于增强所述凝胶的力学强度。所述第二聚合物网络优选为柔性的聚合物分子网络，使所述凝胶整体具有较好的柔性和弹性。

所述第二聚合物网络可以为通过离子键物理交联的网络结构，例如可选自卡拉胶、硫酸软骨素、明胶、海藻酸盐中的一种或多种。

所述第一聚合物网络可以为通过共价键化学交联的高分子聚合物网络结构，所述第一聚合物网络可选自聚丙烯酰胺、聚苯胺、聚乙烯胺中的一种或多种。所述第一聚合物网络由单体、交联剂、引发剂通过聚合交联反应得到。

所述第一聚合物网络和/或第二聚合物网络可以具有所述功能基团，在优选的实施例中，所述第一聚合物网络和第二聚合物网络分别具有不同的功能基团，例如分别具有-NH2、SO3^-和-OH中一种或多种。

请参阅图1，在一实施中，所述第一聚合物网络为聚丙烯酰胺5，所述第二聚合物网络为卡拉胶网络6。电解质盐为氯化钾2。溶剂为水或者水与乙二醇和/或丙三醇的组合。所述聚丙烯酰胺5通过单体丙烯酰胺3与交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺1在引发剂的作用下交联聚合得到。丙烯酰胺3、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺1、卡拉胶4、氯化钾2与引发剂在水中均匀加热混合，先聚合形成聚丙烯酰胺5，然后降温形成卡拉胶网络6，与溶剂、溶解在溶剂中的氯化钾2及聚丙烯酰胺5共同形成双网络水凝胶。所述聚丙烯酰胺5与所述卡拉胶4的质量比优选为16:1～1.3:1，更优选为5:1～3:1。该实施例中，所述双网络凝胶同时含有大量的-NH₂、SO^3-和-OH功能基团，可与待测气体NO₂12结合形成大量氢键7、π键，对于浓度非常低的待测气体，仍然能够响应，检测灵敏度非常高。

在一实施例中，当溶剂为水，可以进一步将得到的水凝胶在有机溶剂，例如乙二醇和/或丙三醇中浸泡一段时间，使乙二醇和/或丙三醇取代部分水，请参阅图2，丙三醇分子9和/或乙二醇分子10具有大量-OH，易于与水分子8结合，提高凝胶的保水性，并使传感器具有较宽的工作温度范围。由于所述卡拉胶的双螺旋结构以及所述聚丙烯酰胺的聚合物分子链，在凝胶的拉伸过程中能够得到有效的能量耗散，使凝胶具有更好的拉伸应变性，能够承受更大程度的拉伸弯曲等形变。同时所述聚丙烯酰胺与所述卡拉胶之间也可形成氢键，使所述第一聚合物网络与所述第二聚合物网络之间形成协同效应，进一步增强了所述凝胶的拉伸应变性，所述凝胶的拉伸应变可超过1200％。

由于所述聚丙烯酰胺与所述卡拉胶之间形成了大量氢键，所述凝胶断裂后通过加热还可自修复。当所述凝胶断裂后，大量氢键可在断裂面表面将所述凝胶两端重新粘连起来，同时加热使第一聚合物网络聚合物卡拉胶解旋变成单链，冷却后单链重新连接成双螺旋。同时电解质盐离子的加入也可提高凝胶自修复的能力。

所述气体传感器通过所述电解质盐在所述凝胶中的离子迁移速率感测外界环境中待测气体的浓度。在一实施例中，所述气体传感器还包括电极，所述电极用于测量能够反映所述电解质盐在所述凝胶中的离子迁移速率的参数，优选为测量所述电解质盐在所述凝胶中的离子电导率或离子电阻率，或者所述凝胶的电阻。所述电极可为金属片、金属薄膜或者导电浆料，如铜薄膜、铝薄膜、银浆、铝浆、碳浆等。两个所述电极可以分别设置在所述凝胶的两端。

所述气体传感器还可包括检测装置，所述检测装置分别与所述两个电极电连接，用于通过所述电极测量所述电解质盐在所述凝胶中的离子电导率或离子电阻率。

由于所述气体传感器是通过感测所述电解质盐在凝胶中的溶剂中的离子迁移速率反映待测气体的浓度，应避免测量过程中电解质盐在溶剂中的浓度发生变化。在一实施例中，所述气体传感器进一步包括隔离湿气的包装，避免环境中的水进入凝胶中。所述隔离湿气的包装可由多孔且疏水的材料制成。

本发明实施例还提供一种所述气体传感器的应用，所述气体传感器用于通过所述电解质盐在所述凝胶中的离子迁移速率的变化检测环境中的待测气体的浓度变化。待测气体的浓度变化会影响所述电解质盐离子迁移速率，即离子电导率或离子电阻率。请参阅图3，当检测环境中的待测气体(如NO₂12)浓度变大，待测气体进入凝胶中，阻碍电解质盐的阴阳离子在两个电极11之间运动，所述离子电导率变小，离子电阻率变大，电流变小；当检测环境中待测气体浓度变小，凝胶中的待测气体会出现解吸附的现象，溶解在溶剂中的待测气体会迅速扩散离开凝胶，从而使溶剂中的气体对所述电解质盐离子迁移的阻碍作用减小，所述离子电导率变大，离子电阻率变小，电流变大。

所述气体传感器中所述凝胶的电阻R＝ρ*L/A，R、ρ、L、A分别为凝胶的电阻、电阻率、长度和横截面积。所述凝胶的电阻由电阻率或电导率决定，当所述电解质盐在所述凝胶中迁移速率发生变化，所述凝胶整体的电阻也随之变化。因此，所述气体传感器可以通过测量所述凝胶电阻的变化检测环境中的待测气体的浓度变化。

本发明实施例还提供一种应用所述气体传感器的设备，例如可穿戴气体感测装置、气体感测电子皮肤、人机界面、柔性机器人或医疗设备。

所述设备可包括柔性基底及层叠在所述柔性基底表面的所述气体传感器。所述设备还可包括报警器，当所述气体传感器感测到待测气体浓度超过设定值时所述报警器报警。所述气体感测电子皮肤可直接贴在人体皮肤上实时监测环境中NO₂气体的含量变化以作安全警报提醒。

所述凝胶可通过将能够形成凝胶的聚合物与溶解有电解质盐的溶剂加热混合后降温冷却得到。在加热条件下可以向混合体系中加入其它功能性组分，例如第一聚合物网络或者用于形成第一聚合物网络的原料，在冷却形成凝胶的过程中使所述添加的组分均匀的复合在凝胶中。在形成凝胶后也可以进一步用其他溶剂与原始的溶剂进行置换，改变凝胶中的溶剂组分。例如使用丙三醇或乙二醇进行置换，得到丙三醇或乙二醇修饰的双网络凝胶。

对于所述双网络凝胶，本发明实施例还提供一种所述气体传感器的制备方法，包括如下步骤：

S10，将单体、交联剂、引发剂、第二聚合物、电解质盐以及溶剂在加热条件下混合均匀，得到混合溶液，所述单体、所述交联剂及所述引发剂用于形成第一聚合物网络，所述第二聚合物能够与所述溶剂形成凝胶；

S20，使所述单体、所述交联剂及所述引发剂在所述混合溶液中发生交联聚合反应形成所述第一聚合物网络，然后冷却使所述第二聚合物形成第二聚合物网络，并与所述溶剂形成所述凝胶。

步骤S10中，所述形成第一聚合物网络的单体与所述形成第二聚合物网络的聚合物的质量比优选为16:1～1.3:1。更优选的，所述形成第一聚合物网络的单体与所述形成第二聚合物网络的聚合物的质量比为5:1。

步骤S10中，优选的，先使所述单体、交联剂、第二聚合物以及电解质盐在75℃～100℃均匀混合，电解质盐溶解在所述溶剂中，然后降温至60℃～75℃，加入所述引发剂，均匀混合得到所述混合溶液。

在步骤S20中，所述单体、所述交联剂及所述引发剂根据引发剂种类的不同，可以在光照或加热条件下发生交联聚合反应形成所述第一聚合物网络。

在一实施例中，可以在密封条件下进行加热，温度优选为80℃～105℃。形成所述第一聚合物网络后将溶液冷却至0℃～10℃形成凝胶。

当所述溶剂为水时，所述气体传感器的制备方法还可以包括步骤S30，将所述凝胶置于所述有机溶剂中浸泡，使凝胶中的部分水被有机溶剂置换。所述浸泡的时间优选为1小时～12小时。所述有机溶剂优选为碳原子数为1～10的小分子多元醇，更优选为丙三醇和乙二醇中的至少一种。

实施例1

S10，将4g丙烯酰胺粉末、0.8g卡拉胶粉末、0.1g氯化钾粉末和0.003g N,N’-亚甲基双丙烯酰胺粉末于50mL去离子水中，75℃下磁力搅拌至均匀；再降温至60℃加入0.02g过硫酸铵以磁力搅拌均匀，获得混合溶液；

S20，将混合溶液置于烘箱中95℃下密封反应1～2小时以形成聚丙烯酰胺网络，再置于4℃低温环境下反应1～2小时以形成卡拉胶网络，获得聚丙烯酰胺/卡拉胶双网络凝胶。

实施例2

S20，将混合溶液置于烘箱中95℃下密封反应1～2小时以形成聚丙烯酰胺网络，再置于4℃低温环境下反应1～2小时以形成卡拉胶网络，获得聚丙烯酰胺/卡拉胶双网络凝胶；

S30，将聚丙烯酰胺/卡拉胶双网络凝胶置于100％的乙二醇溶液中浸泡1～12小时。

实施例3

与实施例2制备方法基本相同，不同之处在于，S30中100％的乙二醇溶液替换为100％的丙三醇溶液。

实施例4

与实施例2制备方法基本相同，不同之处在于，S30中100％的乙二醇溶液替换为20％的乙二醇溶液。

实施例5

与实施例2制备方法基本相同，不同之处在于，S30中100％的乙二醇溶液替换为20％的丙三醇溶液。

实验例

1、凝胶的柔性及拉伸性

请参阅图4，将实施例1和实施例3制备的双网络凝胶进行扭曲、弯曲、拉伸实验，扭曲达540°(如图4a所示)、弯曲达120°(如图4b所示)，弯曲后仍可恢复至原状(如图4c所示)，并且其最大拉伸可至原长的1200％(如图4d所示)。

2、溶剂对凝胶抗冻性的影响

将实施例1～5制备的双网络凝胶放在-18℃的环境下保温1个小时后，如图5所示，发现以水为溶剂的凝胶(图5中1#所示)已经完全结冰，不具备可拉伸性，但是溶剂中含有乙二醇或者丙三醇的凝胶(图5中2#～5#所示)在相同条件下凝胶不但没有结冰，而且能发生500％的拉伸形变而不断裂。这表明溶剂中包含乙二醇或丙三醇能将凝胶的冰点远远降低到0℃以下，大幅度提高凝胶的抗冻性。

3、自修复性

请参阅图6，用小刀将实施例2和实施例3制备的双网络凝胶切断，实验结果表明在用小刀将凝胶切断之前凝胶导电(如图6a和6d所示)，被切成两段之后变得不导电(图中未示出)，但将切成两段的凝胶对接后加热，使凝胶自修复之后又恢复了导电性(如图6b和6e所示)，进一步将自修复后的所述凝胶拉伸，所述凝胶仍具有较大的拉伸应变性(如图6c和6f所示)，但拉伸导致电阻变大，且自修复不能达到100％。

4、透明性

请参阅图7，实施例3制备的双网络水凝胶可见光波段的光学透过率超过60％，实施例1制备的双网络凝胶比实施例3的双网络凝胶在可见光波段具备更高的光学透过率，在凝胶覆盖区域“Materials Views”字样的背景图案仍然清晰可见。

5、气敏特性

请参阅图8，将实施例1制备的双网络凝胶暴露在NO₂气体中，通过将凝胶连接到电路中作为气体传感器，监测凝胶的相对电阻变化(ΔR/R₀％，ΔR为电阻的变化，R₀为初始状态的电阻)来评价传感器的气敏特性，NO₂气体的暴露时间和吹扫时间均为300s，每个试验周期通气设备处于图7中“NO₂开”时开始通入NO₂气体，直至“NO₂关”时结束，NO₂关闭时开始通入空气或氮气。

如图8a所示，当双网络凝胶作为气体传感器暴露于不同浓度(1ppm-0.1ppm)的NO₂气体时的动态响应曲线，当双网络凝胶暴露于NO₂气体时电阻立即增加，在连续减少NO₂气体的循环测试中，响应随着NO₂气体浓度降低而单调下降，同时水凝胶中溶解的NO₂气体分子减少，阻滞效应也相对减弱。

如图8b所示，双网络凝胶作为气体传感器对NO₂气体浓度响应呈现出非常优异的线性关系，表明该气体传感器在实际应用中是非常理想的。

如图8c所示，双网络凝胶作为气体传感器能够检测非常低浓度的NO₂气体，在100ppb NO₂气体浓度试验中，响应仍达到4％，本发明实施例制备的气体传感器检测范围很宽。

如图8d、8e所示，双网络凝胶作为气体传感器具备良好的重复性，在连续3次测量500ppb NO₂，响应基本恒定在18.2％，误差仅为0.5％。

如图8f所示，双网络凝胶作为气体传感器在对于500ppb NO₂进行一个周期的试验中，其响应时间和恢复时间分别为10.1s和48.6s，短于基于石墨烯、MoS₂、SnS₂和磷等材料为基础的气体传感器。

5、凝胶的形变、溶剂对气敏性的影响

如图9a和9d所示，在1ppm NO₂检测试验中，未变形以及扭转180°和弯曲180°的凝胶作为传感器的响应几乎一致，而在拉伸状态下，如图9b和9c所示，传感器的响应随拉伸比呈现线性增加：从0％拉伸的传感器相对电阻变化为35％，线性增加到100％拉伸的传感器相对电阻变化为82.5％。基于此特点，本发明的双网络凝胶可制备灵敏度可调的气体传感器，与传统刚性气体传感器相比具有一定的优势。

如图9e和9f所示，实施例3制备的双网络凝胶作为气体传感器相对于实施例1具有更明显的传感器的响应及更高的灵敏度，对于5ppmNO₂，相对于实施例1，实施例3制备的双网络凝胶NO₂气体传感器响应从142％提升至238％，提升了1.68倍，说明有机溶剂丙三醇可提高传感器的响应灵敏度。

6、溶剂对凝胶保水性、耐受性的影响

将实施例1和实施3制备的双网络凝胶作为气体传感器置于2ppmNO₂中连续监测9个月，如图10所示，实施例3制备的双网络水凝胶在检测前不经重新水合(即在溶剂中浸泡使凝胶吸取溶剂)其响应可维持在150％，而实施例1制备的双网络凝胶若不经过重新水合则会因失水导致离子导电终断而失去性能，即便经过重新水合其性能也会降低，说明有机溶剂丙三醇能有效提高凝胶作为传感器的稳定性、耐受性和灵敏度。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种气体传感器，其特征在于，包括凝胶，所述凝胶包括聚合物网络、与所述聚合物网络结合共同形成所述凝胶的溶剂以及溶解在所述溶剂中的电解质盐，所述聚合物网络具有用于与待测气体结合的功能基团，所述凝胶为双网络凝胶，包括第一聚合物网络和第二聚合物网络，所述第一聚合物网络用于包覆所述溶剂，所述第二聚合物网络用于增强所述凝胶的力学强度，所述第一聚合物网络与所述第二聚合物网络的质量比为16:1～1.3:1，所述第一聚合物网络为聚丙烯酰胺，所述第二聚合物网络为卡拉胶。

2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述待测气体优选为NO₂和NH₃中至少一种，所述功能基团包括-NH₂、SO₃ ^-和-OH中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述溶剂包括水，并且包括有机溶剂，所述有机溶剂为碳原子数为1～10的小分子多元醇。

4.根据权利要求3所述的气体传感器，其特征在于，所述有机溶剂为丙三醇和乙二醇中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述凝胶具有透明性，所述凝胶在可见光波段的光学透过率大于60％，所述凝胶的拉伸应变性大于1200％。

6.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，还包括电极和/或包裹在所述凝胶外用于隔离湿气的包装，所述电极用于测量能够反映所述电解质盐在所述凝胶中的离子迁移速率的参数，所述参数为所述电解质盐的离子电导率或离子电阻率，或者所述凝胶的电阻。

7.一种根据权利要求1～6中任一项所述的气体传感器的应用，其特征在于，所述气体传感器用于通过所述电解质盐在所述凝胶中的离子迁移速率的变化检测环境中的待测气体的浓度变化。

8.一种设备，所述设备为可穿戴气体感测装置、人机界面、柔性机器人或医疗设备，其特征在于，所述设备包括根据权利要求1～6中任一项所述的气体传感器。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，还包括柔性基底和/或报警器，所述气体传感器层叠设置在所述柔性基底表面，当所述气体传感器感测到待测气体浓度超过设定值时所述报警器报警。

10.根据权利要求8或9所述的设备，其特征在于，所述可穿戴气体感测装置为气体感测电子皮肤。

11.一种根据权利要求1～6任一项所述的气体传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：