Small Methods: 绿色固体电解质在电化学气体传感器中的应用

气体传感器的研究渗透结合了化学、力学、热学、生物学、半导体技术、微电子技术等多门学科,并广泛应用于汽车,航空,安检,环境,食品,医药安全等诸多领域。其中,电化学气体传感器利用了微型燃料电池的原理,具有体积小、功耗小、线性和重复性好等优点而获得了广泛应用。根据燃料电池工作原理,待测气体在工作电极上电化学反应所产生的电流与其浓度成正比并遵循法拉第定律,因此通过测定电流大小即可确定待测气体的浓度。电解质作为电化学传感器的一个重要组成部分起到了离子导通的重要作用,其性能的好坏直接影响了电化学气体传感器的应用。传统液体电解液具有良好的离子传导性,但其对周围环境敏感,易蒸发易结晶,又存在漏液不稳定等问题而大大限制了电化学气体传感器的寿命。因此,研发一种室温高离子传导率的固态电解质有助于全固态电化学气体传感器的发展。

针对这一问题,加拿大滑铁卢大学陈忠伟教授课题组研发了一种基于纳米纤维素基体的氧化石墨烯掺杂固体电解质薄膜材料,并首次将其作为固体电解质组装到全固态电化学传感器中,作为便携式酒精检测仪展现出良好的应用前景。纳米纤维素作为一种绿色环保可再生的纳米材料受到广泛关注,具有比表面积大,重量轻,杨氏模量高,柔韧性好等优点。该课题组成功地将磺酸功能性官能团嫁接到纳米纤维上,制备了室温下具有高离子传导性的纳米纤维素基体薄膜。受限于纤维素薄膜的多孔性和透气性,无法将其单独应用于气体检测,而功能化氧化石墨烯的添加有效地抑制了检测气体分子(乙醇)的穿透,攻克了这一技术难题。与此同时,片层氧化石墨烯的掺入还成功控制了膜内离子的传导路径,实现了固体电解质离子传导异向性的调控。该课题组已将这种基于纳米纤维素/氧化石墨烯制备得到的固体电解质薄膜成功装配到燃料电池原理而设计的电化学气体传感器中,呈现出对乙醇分子快速而灵敏的响应。不但其输出信号与乙醇蒸气浓度呈现线性关系,而且其检出限可以达到25 ppm。并且相对于其他蒸气,此电化学气体传感器表现出对乙醇卓越的选择性。因此,这种传感器在便携式器件,尤其是呼气酒精检测仪中展现出良好的应用前景。与此同时,这项研究成果也为研究绿色环保的纳米纤维基体固体电解质的应用提供了一种新的途径。相关工作发表于Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201700237)上。

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