- 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中，用于監測可燃、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，對 NO 具有很高的敏感性2并且可以在室溫下運行。
發表在《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在排放源眾多的區域（包括繁忙的道路、工廠和發電廠）可能特別高。
“其他氣體傳感器包括汽車發動機中的氣體傳
感器，用于檢測氧氣含量，”Chu 教授說。“這是因為您需要調整燃料和氧氣的比例以獲得良好的效率。
“它們還用于醫療保健環境，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，需要不斷進行研究和開發，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�！袄纾覀冞�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。“在捕捉 NO2分子中，表面電阻會發生變化，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，這些結節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�！拔覀儗嶋H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�，即 MoS2我們在實驗室中開發的。
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、實時監測緩慢以及缺乏痕量濃度檢測能力，遇到了限制其開發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測空氣質量，例如用于采礦現場或倉庫的工業安全系統，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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