一种GO-Nafion双层膜修饰的pH、含水量复合传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种GO‑Nafion双层膜修饰的pH、含水量复合传感器及其制备方法，包括基底、工作电极、参比电极和电极引线；基底为氧化铝陶瓷材料；工作电极为Ir/IrO2金属氧化物电极，参比电极为Ag/AgCl电极；电极修饰层采用GO与Nafion双层膜修饰；传感器制备方法为：制作基底，在基底正面开工作电极安装槽、参比电极安装槽及电极引线安装槽；在工作电极安装槽上依次沉积Cr_1连接层与Ni_1过渡层，沉积Ir层与IrO2层，涂覆Nafion_1层，涂得GO_1层；在参比电极安装槽上依次沉积Cr_2连接层与Ni_2过渡层，沉积Ag层，获得AgCl层，涂覆Nafion_2层，获得GO_2层；GO_1层和GO_2层制作微纳织构亲水表面；本发明专利技术传感器可同时检测基质pH、含水量等理化参数，适用于土壤栽培基质等非均相体系的pH、含水量的原位测量。

A GO Nafion bilayer modified pH composite, moisture sensor and preparation method thereof

The invention discloses a GO Nafion bilayer modified pH composite, moisture sensor and a preparation method thereof, comprising a substrate, a working electrode, reference electrode and electrode wire; base for alumina ceramic materials; the working electrode for Ir/IrO

【技术实现步骤摘要】
一种GO-Nafion双层膜修饰的pH、含水量复合传感器及其制备方法
本专利技术属于土壤基质新型电化学传感器的应用领域，尤其涉及一种微纳织构化GO-Nafion双层膜修饰的pH、含水量一体化传感器及其制备方法，用于实现对一定量含水量土壤、栽培基质含水量与pH值的原位测量。
技术介绍
土壤和栽培基质是矿物和有机物的混合组成部分，主要是固态颗粒，但是在固体颗粒间隙中存在着一定气体和液体，属于非均相体系。其复杂的组成，以及非均相混合态，使得土壤基质表现出众多不同的物化特性。此外，由于部分土壤和基质本身比较松散，会引起检测接触不良，导致对参数检测适应性差，检测灵敏度低、误差大、稳定性不好等问题，为土壤基质pH、含水量的原位测量带来难度。研究表明，在土壤栽培基质等非均相体系中，氢离子都是以水合氢离子H3O+的形式存在的。因此，土壤中栽培基质等的氢离子浓度与土壤中的水有很大关系，要实现土壤基质等非均相体系的pH原位测量，就必须找到一种方法能够快速吸附土壤中的水分，进而吸附氢离子的方法。同时，通过检测土壤基质中含水量对pH值进行修正补偿，增加其准确性。因此，非常有必要在检测pH值同时，检测含水量。传统采用玻璃电极测量浸提液pH值的间接测量方法，过程繁琐，耗时费力。而且，因为在自然条件下土壤与环境处于动态平衡，所以取样测定的结果往往不能代表土壤的自然状况。近年来，对全固态复合pH电极的研究越来越多，在一定程度上，有效提升了pH电极的灵敏度、稳定性、抗干扰性等性能，但电极稳定性、含水量较低时测量结果的准确度等方面，仍有很多不足之处，而修饰膜对解决这些问题有重要作用。目前，土壤含水量检测方法有烘干法、中子散射法、电阻法和电容法。烘干法是获取土壤含水量的标准做法，对基质参数检测适应性较好，但是不能在土壤原位实时检测且需大量人力物力，不能及时获得土壤的墒情。中子散射法不需进行土壤取样，对基质参数检测适应性较好，但是存在成本高昂、辐射等不足。电阻法利用湿敏电阻的电阻值与含水量之间的对应关系，具有成本低、简单快速的优点，但是滞后性、灵敏度和准确度较差，尤其对基质参数检测适应性较差。电容法将被测土壤物质作为电容器电介质的一部分，并结合土壤含水量和总的介电常数之间的对应关系得到土壤的含水量，其结构简单、易于实现，但是灵敏度不高，且存在边缘效应导致的非线性问题。超亲水表面研究取得很大进展，并且在工业生产和实际生活中有广泛应用。表面浸润性是固体表面的一个重要特征，通常以接触角(contactangle，CA)表征液体对固体的浸润程度。通常把通过表面改性获得跟水滴接触角>150°称为超疏水性表面，接触角<5°称为超亲水表面。科研人员通过对不同材料的超亲水性研究，认为超亲水性与材料的电子空穴对及材料表面粗超度有关。一般来说制备超亲水表面可以通过两种途径，一是光引发超亲水；另一种是在亲水材料表面构造粗糙结构。各类织构表面具有不同的界面效应，通过合适的织构表面提高表面亲水性，使传感器能够快速吸附水分子，提高检测灵敏性。随着对氧化石墨烯材料研究的不断深入，发现了二维层状结构的氧化石墨烯含有大量的含氧官能团，如羧基、羟基等，具有着极强的亲水特性。相关研究表明，氧化石墨烯的电阻会随温度升高显著减少，较高氧化程度的氧化石墨烯薄膜的电阻对数与相对湿度呈线性变化，具有良好的湿敏特性，因而也被逐步广泛的应用于气湿敏新型传感器的研制中。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对土壤栽培基质等非均相体系pH、含水量原位测量难题，综合应用平板式pH传感器优点、氧化石墨烯的特性与超亲水微纳织构性能，提出一种GO-Nafion(即氧化石墨烯-全氟代磺酸酯)双层膜修饰的pH、含水量复合传感器及其制备方法，用于实现对土壤、栽培基质等非均相体系的pH、含水量原位测量。本专利技术的技术方案是：一种GO-Nafion双层膜修饰的pH、含水量复合传感器，包括基底、工作电极、参比电极、电极引线和电极引线；所述基底的正面开有两个长方形槽包括第一长方形槽和第二长方形槽，所述长方形槽右侧分别开有长槽，所述第二长方形槽下侧开有两个直角槽；所述第一长方形槽上制作工作电极，所述第二长方形槽上制作参比电极，在所述长槽上附电极引线，在直角槽上附电极引线；在所述电极引线和电极引线的末端上制作焊盘。上述方案中，所述基底为厚度1.2mm以上的氧化铝陶瓷材料，基底形状为长1.5cm、宽1cm的长方形，所述第一长方形槽、第二长方形槽、长槽及直角槽开槽深度约2.1μm。上述方案中，所述工作电极，通过Cr_1连接层与Ni_1过渡层与基底1连接，且所述Cr_1连接层位于Ni_1过渡层的下面；所述Ni_1过渡层上方依次沉积有Ir层和IrO2层，IrO2层表面依次涂覆Nafion_1层和GO_1层。进一步的，所述Cr_1连接层厚度为50nm，Ni_1过渡层厚度为60nm；所述Ir层厚度为90nm，IrO2层厚度为120nm；所述Nafion_1层厚度为0.8μm，GO_1层厚度为0.6μm。上述方案中，所述参比电极，通过Cr_2连接层和Ni_2过渡层与基底连接，且所述Cr_2连接层位于Ni_2过渡层的下面；所述Ni_2过渡层上方依次沉积有Ag层和AgCl层，AgCl层表面依次涂覆Nafion_2层和GO_2层。进一步的，所述Cr_2连接层厚度为50nm，Ni_2过渡层厚度为60nm；所述Ag层厚度为180nm，AgCl层厚度为33nm；所述Nafion_2层厚度为0.8μm，GO_2层厚度为0.6μm。上述方案中，所述GO_1层和GO_2层表面进行微纳织构加工出圆柱凹坑，所述圆柱凹坑的孔深为60nm，孔径为1.8μm。上述方案中，所述第一长方形槽右侧长槽内的电极引线1通过Cr_1连接层和Ni_1过渡层与基底连接，且所述Cr_1连接层位于Ni_1过渡层的下面；Ni_1过渡层上方依次沉积有Ag层和硅氧树脂层，所述Ag层厚度为90nm，硅氧树脂层厚度为1.5μm；所述第二长方形槽右侧长槽内的电极引线1通过Cr_2连接层和Ni_2过渡层与基底连接，且所述Cr_2连接层位于Ni_2过渡层的下面；Ni_2过渡层上方依次沉积有Ag层和硅氧树脂层，所述Ag层厚度为90nm，硅氧树脂层厚度为1.5μm。上述方案中，所述电极引线通过环氧树脂层与基底连接，环氧树脂层上方依次沉积有Ag层和硅氧树脂层，所述环氧树脂层厚度为1.1μm，Ag层厚度为0.6μm，硅氧树脂层厚度为0.2μm。一种制备所述一种GO-Nafion双层膜修饰的pH、含水量复合传感器的方法，包括以下步骤：S1、制作基底，选用厚度1.2mm以上的氧化铝陶瓷作为基底材料，基底形状为长方形，且在正面开两个长方形槽；并在长方形槽右侧分别开长槽；以及在长方形槽下侧开两个直角槽；S2、制作工作电极，通过化学气相沉积法在基底的第一长方形槽沉积Cr_1连接层与Ni_1过渡层，然后通过电化学沉积法在Ni_1过度层表面沉积Ir，获得Ir层，再通过电沉积法将IrO2沉积在Ir层上面，获得IrO2层，然后通过溶胶-凝胶法在IrO2层外表面涂覆Nafion_1层，最后通过旋涂法在Nafion_1层表面涂得均匀分布的GO_1层；S3、制作参比电极，通过化学气相沉积法在基底的第二长方形槽沉积Cr_本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种GO‑Nafion双层膜修饰的pH、含水量复合传感器，其特征在于，包括基底(1)、工作电极(2)、参比电极(3)、电极引线1(4)和电极引线2(5)；所述基底(1)的正面开有两个长方形槽包括第一长方形槽(101)和第二长方形槽(104)，所述长方形槽右侧分别开有长槽(102)，所述第二长方形槽(104)下侧开有两个直角槽(103)；所述第一长方形槽(101)上制作工作电极(2)，所述第二长方形槽(104)上制作参比电极(3)，在所述长槽(102)上附电极引线1(4)，在直角槽(103)上附电极引线2(5)；在所述电极引线1(4)和电极引线2(5)的末端上制作焊盘(6)。

【技术特征摘要】
1.一种GO-Nafion双层膜修饰的pH、含水量复合传感器，其特征在于，包括基底(1)、工作电极(2)、参比电极(3)、电极引线1(4)和电极引线2(5)；所述基底(1)的正面开有两个长方形槽包括第一长方形槽(101)和第二长方形槽(104)，所述长方形槽右侧分别开有长槽(102)，所述第二长方形槽(104)下侧开有两个直角槽(103)；所述第一长方形槽(101)上制作工作电极(2)，所述第二长方形槽(104)上制作参比电极(3)，在所述长槽(102)上附电极引线1(4)，在直角槽(103)上附电极引线2(5)；在所述电极引线1(4)和电极引线2(5)的末端上制作焊盘(6)。2.根据权利要求1所述的一种GO-Nafion双层膜修饰的pH、含水量复合传感器，其特征在于，所述基底(1)为厚度1.2mm以上的氧化铝陶瓷材料，基底(1)形状为长1.5cm、宽1cm的长方形，所述第一长方形槽(101)、第二长方形槽(104)、长槽(102)及直角槽(103)开槽深度约2.1μm。3.根据权利要求1所述的一种GO-Nafion双层膜修饰的pH、含水量复合传感器，其特征在于，所述工作电极(2)，通过Cr_1连接层(201)与Ni_1过渡层(202)与基底(1)连接，且所述Cr_1连接层(201)位于Ni_1过渡层(202)的下面；所述Ni_1过渡层(202)上方依次沉积有Ir层(203)和IrO2层(204)，IrO2层(204)表面依次涂覆Nafion_1层(205)和GO_1层(206)。4.根据权利要求3所述的一种GO-Nafion双层膜修饰的pH、含水量复合传感器，其特征在于，所述Cr_1连接层(201)厚度为50nm，Ni_1过渡层(202)厚度为60nm；所述Ir层(203)厚度为90nm，IrO2层(204)厚度为120nm；所述Nafion_1层(205)厚度为0.8μm，GO_1层(206)厚度为0.6μm。5.根据权利要求3所述的一种GO-Nafion双层膜修饰的pH、含水量复合传感器，其特征在于，所述参比电极(3)，通过Cr_2连接层(301)和Ni_2过渡层(302)与基底(1)连接，且所述Cr_2连接层(301)位于Ni_2过渡层(302)的下面；所述Ni_2过渡层(302)上方依次沉积有Ag层(303)和AgCl层(304)，AgCl层(304)表面依次涂覆Nafion_2层(305)和GO_2层(306)。6.根据权利要求5所述的一种GO-Nafion双层膜修饰的pH、含水量复合传感器，其特征在于，所述Cr_2连接层(301)厚度为50nm，Ni_2过渡层(302)厚度为60nm；所述Ag层(303)厚度为180nm，AgCl层(304)厚度为33nm；所述Nafion_2层(305)厚度为0.8μm，GO_2层(306)厚度为0.6μm。7.根据权利要求5所述的一种GO-Nafion双层膜修饰的pH、含水量复合传感器，其特征在于，所述GO_1层(206)和GO_2层(306)表面进行微纳织构加工出圆柱凹坑，所述圆柱凹坑的孔深为60nm，孔径为1.8μm。8.根据权利要求1所述的一种GO-Nafion双层膜修饰的pH、含水量复合传感器，其特征在于，所述第一长方形槽(101)右侧长槽(102)内的电极引线1(4)通过Cr_1连接层(201)和Ni_1过渡层(202)与基底(1)连接，且所述Cr_1连接层(201)位于Ni_1过渡层(202)的下面；Ni_1过渡层(202)上方依次沉积有Ag层(401)和硅氧树脂层(402)，所述Ag层...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿妙妙，张西良，徐坤，赵麟，蒋薇，尹利，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32