CN113702457B - 一种可伸缩no2气体传感器及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可伸缩NO2气体传感器及其制备方法和应用，本发明的可伸缩NO2气体传感器包括凝胶导电传输介质和气体选择性电极，能够吸附NO2气体，实现对NO2的响应，本发明的制备方法简便易操作，利用聚合物单体、交联剂、引发剂以及溶剂制得具有三维聚合物网络的凝胶，在电解质盐溶液中浸泡后，与电极通过结合，制得可伸缩NO2气体传感器，在复杂环境如含氨气、乙醇、甲醇、丙酮、异丙醇等气体或挥发性有机物环境下特异性识别并检测NO2浓度，噪声低、理论极限低，可伸缩NO2气体传感器还具有透明、柔性好、可拉伸、自修复性能良好、耐久度和力学强度高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及气体传感器技术领域，更具体地，涉及一种可伸缩NO2气体传感器及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，可穿戴和便携式智能电子产品的发展引起了人们对模拟多功能感知 (如温度、压力、湿度)和具有化学识别/报警功能的皮肤适应性传感器(e-skin) 引起的极大兴趣，这些传感器可用于实时健康监测、医疗诊断、医疗保健和环境监测。特别是，机械可调性和可伸缩性是表皮传感器或体内传感器的基本要求，符合皮肤和器官的变形。空气污染是对健康的主要威胁，是一个声名狼藉的无声杀手。全世界每年都有数以百万计的疾病和过早死亡是由有毒气体引起的，因此将气体传感功能纳入可穿戴电子产品中引起了相当大的关注。例如，空气污染物包括氮氧化物(NOχ)、氨、二氧化硫(SO2)、碳氧化物(COχ)、挥发性有机化合物(VOCs)等危害人类健康的大气污染物，会引发慢性阻塞性肺疾病(COPD) 等。流行病学研究表明，慢性阻塞性肺病已成为第四大死因，导致2011年超过 300万人死亡。其中二氧化氮是最危险的气体之一，可以穿透身体的敏感部位。大量研究表明，吸入低浓度的NO2会对心血管系统、呼吸系统、眼睛和肺部造成损害。因此，对NO2的准确监测和报警对健康和生活质量至关重要。
为了实现对气体的便携式和精确传感，电子皮肤或电子鼻上传感器等便携式传感器应具有高灵敏度、高选择性、可伸缩性和可室温操作。例如，Javey及其同事展示了一种由离子液体和软基片组成的可拉伸液态异质结传感器，它对氧具有很高的灵敏度(H.Ota,K.Chen,Y.Lin,D.Kiriya,H.Shiraki,Z.Yu,T.J.Ha,A. Javey,Nat.Commun.2014,5,5032.)。Jung和同事通过将垂直排列的2D MoS2层与蛇形聚合物图案结合，展示了一种室温可拉伸NO2传感器，最大应变为40％ (M.A.Islam,H.Li,S.Moon,S.S.Han,H.-S.Chung,J.Ma,C.Yoo,T.-J.Ko,K.H. Oh,Y.Jung,Y.Jung,ACS Appl.Mater.Interfaces 2020,12,53174.)。大多数气体传感器的可拉伸性依赖于可拉伸弹性体作为基底，如Ecoflex和PDMS。然而，本质上可拉伸的材料却鲜有报道。此外，为了促进气体传感器的商业化和日常应用，低成本的制造是必不可少的。为了探索低成本的自身可拉伸气体传感器，人们在无衬底技术方面进行了一些探究。例如，Cai等人通过在棉线和弹性线上涂覆还原的氧化石墨烯(rGO)/ZnO纳米片，制备了一种电子纺织品NO2传感器，其检测下限为43.5ppb，可承受65％的拉伸应变(W.Li,R.Chen,W.Qi,L.Cai,Y. Sun,M.Sun,C.Li,X.Yang,L.Xiang,D.Xie,T.Ren,ACS Sens.2019,4,2809.)。Jin 和同事通过注射印刷工艺开发了一种可伸缩的离子电子气敏贴纸，其中利用独立的聚合物电解质(离子热塑性聚氨酯)检测NO2，具有湿度和温度免疫性(M.L. Jin,S.Park,H.Kweon,H.J.Koh,M.Gao,C.Tang,S.Y.Cho,Y.Kim,S.Zhang,X. Li,K.Shin,A.Fu,H.T.Jung,C.W.Ahn,D.H.Kim,Adv.Mater.2021,33, e2007605.)。尽管离子聚合物等独立式气敏材料由于光学光刻等不太复杂和昂贵的微加工工艺降低了制造成本，但原材料(离子液体)的价格仍然很高。中国专利CN112986338A公开了一种水凝胶气体传感器、气体检测装置及气体检测方法，其中导电水凝胶包括：聚乙烯醇、卡拉胶和聚离子液体，虽然具有一定的柔性，但是其噪声高、理论极限低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有二氧化氮柔性气体传感器的噪声高的缺陷和不足，提供一种可伸缩NO2气体传感器，其噪声和理论极限低，还可免疫氨气的干扰，更好地实现对NO2的检测。
本发明的又一目的是提供一种可伸缩NO2气体传感器的制备方法。
本发明的另一目的是提供一种可伸缩NO2气体传感器的应用。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
一种可伸缩NO2气体传感器，包括凝胶导电传输介质和气体选择性电极，所述凝胶导电传输介质包括三维聚合物网络、电解质盐和溶剂，所述三维聚合物网络为单网络、双网络、多网络或互穿网络中的一种，所述聚合物为聚丙烯酰胺、卡拉胶、明胶、聚(N-异丙基丙烯酰胺)中的一种或几种，所述溶剂为水、二甲基亚砜、乙醇中的一种或几种，所述溶剂质量含量为50％-95％，所述电解质盐的浓度为3-5mol/L。
本发明采用凝胶导电传输介质和气体选择性电极制得可伸缩NO2气体传感器，其中的凝胶导电传输介质是具有三维聚合物网络的凝胶，结构中含有大量的氢键，能促进NO2气体的吸附，使待测气体更容易吸附到电极-凝胶界面，NO2在电极阴极-凝胶界面被还原从而导致电流增大，NO2浓度越高，电流的增大更明显，所以能够实现对NO2的响应，而且在复杂环境如含氨气、乙醇、甲醇、丙酮、异丙醇等气体或挥发性有机物环境下特异性识别并检测NO2浓度；另外，一定浓度的电解质离子能够与凝胶中的羧基、氨基、羟基基团结合形成离子-偶极相互作用力提高水凝胶的强度，且电解质离子扩散在聚合物网络之间的溶剂中形成导电通道，这些导电通道促进了电极-界面处的电子传输，能够增强对NO2气体响应，使得NO2气体传感器具有噪声低、理论极限低的特点，如果电解质离子浓度太低，则导电通道减少，会导致界面和凝胶电阻大，从而降低NO2反应效率，如果电解质离子浓度太高，则会引起水凝胶收缩导致凝胶柔性变差。
优选地，所述聚合物为聚丙烯酰胺和卡拉胶。
优选地，所述电解质盐的浓度为4-5mol/L。
优选地，所述三维聚合物网络为双网络。
优选地，所述电解质盐为氯化锂、氯化钠、氯化钾、氯化钙、溴化锂、溴化钠、硫酸锌、硫酸钠、硫酸钾中的一种或几种。
优选地，所述气体选择性电极为银。
优选地，所述可伸缩NO2气体传感器的工作环境为无氧或有氧。
优选地，所述凝胶导电传输介质和气体选择性电极之间的结构为平面接触式或半嵌入环绕式。
更优选地，所述凝胶导电传输介质和气体选择性电极之间的结构为半嵌入环绕式。半嵌入环绕式电极结构能有效增大气体与凝胶的接触面积从而增大响应。
优选地，所述溶剂质量含量为80％。
本发明保护上述可伸缩NO2气体传感器的制备方法，包括如下步骤：
将聚合物单体、交联剂、引发剂以及溶剂在25-95℃条件下混合0.5-3h，得到混合溶液，混合溶液经过固化形成凝胶，然后凝胶通过浸泡法引入电解质盐，与电极组装后得到可伸缩NO2气体传感器。
优选地，所述聚合物单体为丙烯酰胺、卡拉胶粉末、明胶粉末、N-异丙基丙烯酰胺中的一种或几种。
优选地，所述固化的方法为紫外、加热或冻融中的一种。
优选地，所述加热的温度为60-95℃。
优选地，所述冻融的温度为6-10℃。
优选地，所述聚合物单体为丙烯酰胺和卡拉胶，在6-10℃冻融形成第一聚合物网络；再置于90-95℃形成第二聚合物网络，获得双网络水凝胶。
优选地，所述交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺。
优选地，所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾、2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮中的一种或几种。
优选地，所述浸泡时间为1-168h。
本发明保护上述可伸缩NO2气体传感器在制备可穿戴和便携式器件中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的可伸缩NO2气体传感器包括凝胶导电传输介质和气体选择性电极，能够吸附NO2气体，并随着NO2气体浓度升高，电流增大，实现对NO2的响应，本发明的制备方法简便易操作，利用聚合物单体、交联剂、引发剂以及溶剂制得具有三维聚合物网络的凝胶，在电解质盐溶液中浸泡后，与电极通过结合，制得可伸缩NO2气体传感器，在复杂环境如含氨气、乙醇、甲醇、丙酮、异丙醇等气体或挥发性有机物环境下特异性识别并检测NO2浓度，噪声低、理论极限低，可伸缩NO2气体传感器还具有透明、柔性好、可拉伸、自修复性能良好、耐久度和力学强度高的特点，本发明所提供的可伸缩NO2气体传感器可以广泛应用于可穿戴和便携式器件中。
附图说明
图1为本发明实施例1可伸缩NO2气体传感器的平面式电极结构的示意图。
图2为本发明实施例2的半嵌入环绕式电极结构的可伸缩NO2气体传感器示意图。
图3为本发明实施例1的气敏增强凝胶合成示意图。
图4为本发明实施例3的气敏增强凝胶合成示意图。
图5a为本发明对比例4、对比例1、实施例2制得的气体传感器暴露于不同浓度NO2气体时的动态响应曲线；图5b为本发明对比例4、对比例1、实施例2 制得的气体传感器暴露于不同浓度NO2气体时的线性拟合曲线；图5c为本发明实施例2可伸缩NO2气体传感器的暴露于2.4ppmNO2气体时的三次循环测试动态响应；图5d为本发明实施例2可伸缩NO2气体传感器暴露于2.4ppmNO2气体时的三次循环测试响应结果；图5e为本发明实施例2的可伸缩NO2气体传感器暴露于不同浓度NO2(低浓度)气体时的动态响应曲线；图5f为本发明对比例4、实施例2制得的气体传感器的基线与五次多项拟合结果。
图6a为本发明实施例2可伸缩NO2气体传感器在不同应变下的暴暴露于 80-400ppb NO2气体时的动态响应曲线；图6b为本发明实施例2可伸缩NO2气体传感器不同应变下的暴露于80-400ppb NO2气体时的线性拟合曲线；图6c为本发明实施例2可伸缩NO2气体传感器在不同应变下对NO2的灵敏度；图6d为本发明实施例2可伸缩NO2气体传感器在100％应变下对320ppbNO2的响应和恢复时间；图6e为本发明实施例2可伸缩NO2气体传感器在不同应变下对NO2的平均响应和恢复时间；图6f为本发明实施例2可伸缩NO2气体传感器在断裂前和自修复后暴露于不同浓度NO2气体时的动态响应曲线。
图7为本发明实施例2可伸缩NO2气体传感器在空气背景下暴露于不同浓度NO2气体时的动态响应曲线。
图8为本发明实施例2可伸缩NO2气体传感器对不同气体响应比较。
图9为本发明实施例2可伸缩NO2气体传感器自修复效果图。
图10为本发明实施例1可伸缩NO2气体传感器拉伸效果图。
图11为本发明实施例1可伸缩NO2气体传感器负重图。
图12为本发明实施例1可伸缩NO2气体传感器可见光透过率图。
图13为本发明实施例1可伸缩气体传感器在干燥环境下的电阻相对变化。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非另有说明，本发明实施例采用的原料试剂为常规购买的原料试剂。
实施例1
一种可伸缩NO2气体传感器，包括凝胶导电传输介质和气体选择性电极银，其中凝胶导电传输介质包括聚丙烯酰胺-卡拉胶三维聚合物网络、氯化钾和溶剂，三维聚合物网络为双网络，溶剂含量为80％，氯化钾的浓度为4mol/L，凝胶导电传输介质和气体选择性电极之间的结构为平面接触式。
上述可伸缩NO2气体传感器的制备方法，包括如下步骤：
将丙烯酰胺单体7.5g、卡拉胶1.5g、交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺60mg、氯化钾90mg、引发剂过硫酸铵38mg置于水中，加热95℃搅拌均匀3h；然后将混合溶液置于6℃下形成第一聚合物网络；再将上述体系置于95℃形成第二聚合物网络，制得凝胶，然后置于4mol/L氯化钙溶液浸泡2小时，获得双网络水凝胶；取出后在双网络水凝胶两侧旋涂银形成平面的银电极，制备平面式接触电极，形成可伸缩NO2气体传感器。
实施例2
本实施例的可伸缩NO2气体传感器与实施例1相同，区别在于，凝胶导电传输介质和气体选择性电极之间的结构为半嵌入环绕式，在双网络水凝胶两端环绕银导线，导线半嵌入凝胶。制备过程如图3所示，前驱体(丙烯酰胺单体、卡拉胶、交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、氯化钾、引发剂过硫酸铵)经过聚合反应后制得凝胶，在氯化钙溶液浸泡后制得双网络水凝胶(或者称为气敏增强凝胶)。
实施例3
本实施例的可伸缩NO2气体传感器与实施例1相同，区别在于，制备方法不同，将丙烯酰胺单体、卡拉胶、交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、氯化钾、引发剂过硫酸铵置于4mol氯化钙中，后续不需要在氯化钙溶液浸泡。制备过程如图4所示，含有氯化钙的前驱体通过聚合反应制得双网络水凝胶(或者称为气敏增强凝胶)。
实施例4
本实施例的可伸缩NO2气体传感器与实施例2相同，区别在于，制备方法不同，将丙烯酰胺单体、卡拉胶、交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、氯化钾、引发剂过硫酸铵置于4mol氯化钙中，后续不需要在氯化钙溶液浸泡。
实施例5
本实施例的可伸缩NO2气体传感器与实施例1相同，区别在于，将聚丙烯酰胺-卡拉胶三维聚合物网络替换为聚丙烯酰胺-卡拉胶-明胶三维聚合物网络，制备时增加质量含量为3％的明胶在水中。
实施例6
本实施例的可伸缩NO2气体传感器与实施例2相同，区别在于，将聚丙烯酰胺-卡拉胶三维聚合物网络替换为聚丙烯酰胺-卡拉胶-明胶三维聚合物网络，制备时增加质量含量为3％的明胶在水中。
实施例7
本实施例的可伸缩NO2气体传感器与实施例3相同，区别在于，将聚丙烯酰胺-卡拉胶三维聚合物网络替换为聚丙烯酰胺-卡拉胶-明胶三维聚合物网络，制备时增加质量含量为3％的明胶在水中。
实施例8
本实施例的可伸缩NO2气体传感器与实施例4相同，区别在于，将聚丙烯酰胺-卡拉胶三维聚合物网络替换为聚丙烯酰胺-卡拉胶-明胶三维聚合物网络，制备时增加质量含量为3％的明胶在水中。
实施例9
本实施例的可伸缩NO2气体传感器与实施例1相同，区别在于，将氯化钙替换为氯化锂。
实施例10
本实施例的可伸缩NO2气体传感器与实施例1相同，区别在于，将聚丙烯酰胺-卡拉胶三维聚合物网络替换为卡拉胶网络。
实施例11
本实施例的可伸缩NO2气体传感器与实施例1相同，区别在于，将氯化钙溶液的浓度替换为5mol/L。
对比例1
本对比例的可伸缩NO2气体传感器与实施例1相同，区别在于，将氯化钙溶液的浓度替换为1mol/L。
对比例2
本对比例的可伸缩NO2气体传感器与实施例1相同，区别在于，将氯化钙溶液的浓度替换为7mol/L。
对比例3
本对比例的可伸缩NO2气体传感器与实施例1相同，区别在于，将聚丙烯酰胺-卡拉胶三维聚合物网络替换为氧化还原石墨烯水凝胶。
对比例4
本对比例的可伸缩NO2气体传感器与实施例2相同，区别在于，不在氯化钙溶液中浸泡。
性能测试
1、气体传感器对NO2气体浓度响应性能
实施例1制得的气体传感器如图1所示，实施例1制备的透明水凝胶含有钾离子、钙离子、氯离子，在水凝胶的两侧旋涂银形成平面的银电极，在直流偏置模式下分别作为阴极和阳极，在阴极-水凝胶界面处NO2得电子被还原生成NO，在阳极-水凝胶界面处银失电子形成生成银离子，并且与水凝胶中的氯离子结合形成氯化银，制备工艺简单，有利于制备出微型的阵列型传感器。
实施例2制得的气体传感器如图2所示，实施例2制备的透明水凝胶含有钾离子、钙离子、氯离子，在水凝胶的两侧缠绕银丝形成银电极，在直流偏置模式下分别作为阴极和阳极，在阴极-水凝胶界面处NO2得电子被还原生成NO，在阳极-水凝胶界面处银失电子形成生成银离子并且与水凝胶中的氯离子结合形成氯化银，这种半嵌入环绕式电极结构，能有效增大检测气体与电极-凝胶界面的接触面积，从而增大响应。
将实施例2制备的半嵌入环绕式电极接触的气体传感器暴露在NO2气体(氮气背景)中，通过将凝胶连接到电路中作为气体传感器，监测凝胶的相对电流变化(ΔI/I0％)，ΔI为电流的变化，I0为初始状态的电阻)来评价气体传感器的气敏特性，NO2气体的暴露时间和吹扫时间均为300s，如图5a所示，当气体传感器暴露于不同浓度(0.8ppm-4ppm)的NO2气体时的动态响应曲线，当传感器暴露于 NO2气体时，电流立即增加，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，由于电极-凝胶界面接触的NO2变少，反应产生的电流也下降，表明传感器能检测NO2的浓度。对比例4和对比例1制得的气体传感器也能检测NO2的浓度。
如图5b所示，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，主要是由于引入了大量的氯离子使得气体传感器灵敏度增大。对比例4和对比例1制得的气体传感器由于界面电阻和凝胶电阻上升导致灵敏度有所下降。
如图5c、5d所示，气体传感器具备良好的重复性，连续3次测量2.4ppm NO2，响应基本恒定在10.6％，误差仅为0.3％。
如图5e所示，气体传感器能够检测非常低浓度的NO2气体，能够检测到低达80ppb，本发明制备的气体传感器检测极限低。
如图5f所示，本发明的气体传感器噪声低，灵敏度高，气体传感器对NO2检测极限得到优化，理论极限为1.2ppb(其中理论极限＝3×噪声水平/灵敏度，噪声水平为原始曲线与它的5次多项拟合曲线的均方根，从图5f可以计算得浸泡4M氯化钙后噪声水平从0.02422％降到0.01076％，结合图5b的灵敏度可以算出理论极限)。
2、形变和自修复后气体传感器的气敏性能
如图6a所示，实施例1所制得的凝胶，在NO2检测试验中，未变形(0％应变)、50％应变和100％应变的传感器的响应几乎一致，图6b和图6c表现出传感器的灵敏度基本不受应变干扰，表明本发明的气体传感器具有良好的柔性，但是对应变不敏感，可以在不同形变下进行检测，与传统刚性气体传感器相比具有一定的优势。实施例2-11所制得的气体传感器同样具有良好的具有良好的柔性，但是对应变不敏感。
如图6d和6e所示，应变对气体传感器的响应和恢复时间均有明显的提升，说明应变下气体传感器的整体性能没有退化反而有所提升。
3、空气背景下对NO2的检测
如图7所示，将实施例2制备的气体传感器置于空气背景下测试4-0.8ppm 的NO2，气体传感器的电流在随着测试气体浓度的下降而下降，证明了气体传感器在空气中仍然有效。气体传感器可以在有氧或无氧环境下有效检测NO2，应用范围广。实施例1，3-11所制得的凝胶均能在有氧和无氧的环境下有效检测NO2。
4、气体传感器的气体选择性
如图8所示，实施例2制备的传感器分别置于不同的目标气体中进行循环测试(包括4ppm NO2,1000ppm异丙醇,1000ppm乙醇,1000ppm甲醇,250ppm二氧化碳,and 20ppm氨气)，气体传感器对NO2除外的气体均无响应，表现出优异的气体选择性，气体传感器能在含氨气、乙醇、甲醇、丙酮、异丙醇等气体或挥发性有机物环境下特异性识别并检测NO2浓度，无需额外的气体选择性膜，有效降低制备成本。另外，实施例1，3-11所制得的凝胶均对上述的NO2以外的气体无响应。
5、气体传感器的自修复特性
如图9所示，实施例2制备的凝胶用小刀切断，实验结果表明在用小刀将凝胶切断之前凝胶导电，被切成两段之后变得不导电(LED灯灭)，但将切成两段的凝胶对接后，使凝胶自修复之后又恢复了导电性，进一步将自修复后的所述凝胶加热后拉伸，证明凝胶的机械特性也得到修复。
如图6f所示，实施例2制备的气体传感器在修复前后对NO2仍能有效检测，证明其修复后传感器仍能正常工作。实施例1-12所制备的气体传感器均具有很好的自修复性能。
6、气体传感器的机械特性
如图10所示，实施例1制备的凝胶用具备优异的可拉伸性，在拉伸达到800％ (原长的9倍)后仍未断裂；且力学强度高，在承受自身质量的1437倍的重物负载时仍能保持不断裂(图11)，这能赋予气体传感器更强的抗损伤能力，在收到外界应力时产生弹性形变耗散外部能量从而避免气体传感器断裂或破损而失效，更进一步使气体传感器能应用于可穿戴设备领域。实施例2-9所制得的凝胶均具有优异的可拉伸性和抗损伤能力，实施例10所制得的凝胶抗可拉伸性略有下降，因为受单网络凝胶的本征可拉伸性所限制，实施例11所制得的凝胶的可拉伸性稍微有所下降，因为低浓度盐溶液浸泡使得凝胶大幅度溶胀，原始长度变长，可拉伸性稍微下降，但是不影响其使用。
7、气体传感器的透明性
如图12所示，实施例1制备的凝胶可见光波段的光学透过率超过80％，在凝胶覆盖区域二维码背景图案仍然清晰可见，透明性好。实施例2-11所制得的凝胶均具有良好的透明性。
对比例1由于降低了氯化钙的浓度，灵敏度有所下降，可拉伸性也有所下降。对比例2由于氯化钙的浓度过高，灵敏度有所下降，可拉伸性也有所下降。对比例3由于改变了聚合物网络，可拉伸性、透明度、自修复特性等都下降，且对气体的选择性变差，对氨气的免疫效果不明显。
8、气体传感器的耐久度
如图13所示，实施例1制备的凝胶和在不同浓度(0、1、2、3mol/L)的氯化钙中浸泡过的凝胶在干燥环境下长时间的电阻变化情况，实施例1的制备的凝胶电阻变化最小，表现出最好的耐久度，而相比，低浓度浸泡的凝胶在短时间内电阻大幅度上升甚至失去导电性。实施例2-11所制备的凝胶都具有良好的耐久度。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种可伸缩NO2气体传感器，其特征在于，包括凝胶导电传输介质和气体选择性电极，所述凝胶导电传输介质包括三维聚合物网络、电解质盐和溶剂，所述三维聚合物网络为单网络、双网络、多网络或互穿网络中的一种，所述聚合物为聚丙烯酰胺、卡拉胶、明胶、聚(N-异丙基丙烯酰胺)中的一种或几种，所述溶剂为水、二甲基亚砜、乙醇中的一种或几种，所述溶剂质量含量为50%-95%，所述电解质盐的浓度为3-5mol/L；
所述电解质盐为氯化锂、氯化钠、氯化钾或氯化钙中的一种或几种；
所述气体选择性电极为银。
2.根据权利要求1所述可伸缩NO2气体传感器，其特征在于，所述聚合物为聚丙烯酰胺和卡拉胶。
3.根据权利要求1所述可伸缩NO2气体传感器，其特征在于，所述电解质盐的浓度为4-5mol/L。
4.权利要求1-3任一项所述可伸缩NO2气体传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将聚合物单体、交联剂、引发剂以及溶剂在25-95℃条件下混合0.5-3h，得到混合溶液，混合溶液经过固化形成凝胶，然后凝胶通过浸泡法引入电解质盐，与电极组装后得到可伸缩NO2气体传感器。
5.根据权利要求4所述可伸缩NO2气体传感器的制备方法，其特征在于，所述聚合物单体为丙烯酰胺、卡拉胶粉末、明胶粉末、N-异丙基丙烯酰胺中的一种或几种。
6.根据权利要求4所述可伸缩NO2气体传感器的制备方法，其特征在于，所述固化的方法为紫外、加热或冻融中的一种。
7.根据权利要求4所述可伸缩NO2气体传感器的制备方法，其特征在于，所述交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺。
8.权利要求1-3任一项所述可伸缩NO2气体传感器在制备可穿戴和便携式器件中的应用。
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-
2021
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Non-Patent Citations (2)
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| Extremely Deformable, Transparent, and High-Performance Gas Sensor Based on Ionic Conductive Hydrogel;Jin Wu et.al;《ACS Appl. Mater. Interfaces》;20181231;第11卷;第2364-2373页 * |
| Stretchable, Stable, and Room-Temperature Gas Sensors Based on Self-Healing and Transparent Organohydrogels;Jin Wu et.al;《ACS Appl. Mater. Interfaces》;20201104;第12卷;第52070-52081页 * |
Also Published As
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