一种自供电气体传感器及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种自供电气体传感器及其制备方法和应用，属于气体传感器技术领域。自供电气体传感器，包括阳极、阴极和电解质，所述阳极和阴极分别与所述电解质连接，所述电解质为聚丙烯酰胺/海藻酸钙双网络离子水凝胶，所述阴极和/或所述阳极与外接电源之间的电压为0V。本发明专利技术的自供电气体传感器以水凝胶为电解质、采用不同的电极分别作为阳极和阴极制备气体传感器，利用二者电极电势的差别进行自供电，避免了使用外部电源，延缓了使用过程中电极的消耗和腐蚀，实现了长时间稳定工作。实现了长时间稳定工作。实现了长时间稳定工作。

【技术实现步骤摘要】
一种自供电气体传感器及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及气体传感器
，更具体地，涉及一种自供电气体传感器及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]开发高灵敏度的气体传感器对于环境监测、人体健康、军事安全和危险预警具有重要意义。例如，浓度在百万分之一(ppm)量级的NO2就会对人的呼吸道造成损害，长时间吸入甚至会造成窒息和死亡。水凝胶气体传感器具有可拉伸、透明和成本低等优点，基于凝胶的气体传感器件逐渐兴起。
[0003]现有技术公开了一种自供电离子水凝胶传感器的制备方法，其将离子水凝胶与表面充电的阴极连接，通过氧化还原反应，在两个电极上插入或提取离子来维持离子水凝胶传感器在电流传输过程中化学成分的稳定，实现自供电和传感功能的集成。然而，上述技术公开的自供电水凝胶传感器需要使用外部电源对阴极表面充电后才能使用，由于使用外部电源，会使得水凝胶传感器的电极发生消耗和腐蚀，难以实现长时间的稳定工作。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是克服现有自供电离子水凝胶传感器使用时需要使用外部电源对电极表面充电而导致电极消耗和腐蚀的缺陷和不足，提供一种自供电气体传感器，以水凝胶为电解质、采用不同的电极分别作为阳极和阴极制备气体传感器，利用二者电极电势的差别进行自供电，避免了使用外部电源，延缓了使用过程中电极的消耗和腐蚀，实现了长时间稳定工作。
[0005]本专利技术的另一目的在于提供一种自供电气体传感器的制备方法。
[0006]本专利技术的又一目的在于提供一种自供电气体传感器在检测气体浓度中的应用。
[0007]本专利技术上述目的通过以下技术方案实现：
[0008]一种自供电气体传感器，包括阳极、阴极和电解质，所述阳极和阴极分别与所述电解质连接，所述电解质为聚丙烯酰胺/海藻酸钙双网络离子水凝胶，所述阴极和/或所述阳极与外接电源之间的电压为0V。
[0009]本专利技术的自供电气体传感器，阳极为金属材料，阴极为与阳极不同的金属材料。聚丙烯酰胺/海藻酸钙双网络离子水凝胶为电解质，由于离子水凝胶内部为离子导电，在该凝胶环境下，阳极和阴极表现出不同的电极电势，由于阳极和阴极具有电势差，该电势差可为传感器进行供电，因此阳极和阴极均不需要进行充电处理，可以直接利用阳极和阴极二者电极电势的差别进行自供电，可以避免使用外部电源，延缓了使用过程中电极的消耗和腐蚀，不需要频繁更换电极，实现了长时间稳定工作。另外，由于本专利技术的自供电气体传感器无需施加直流或交流电压即可正常工作，因此在制作传感器时无需制备相应的外接电源部分，使得传感器的制备更加简单，且功耗显著降低。
[0010]优选地，所述阳极为锌、铜锡合金或铁中的一种或几种。
[0011]本专利技术还保护上述所述自供电气体传感器的制备方法，包括如下步骤：制备聚丙烯酰胺/海藻酸钙双网络水凝胶，将阳极和阴极分别连接到所述聚丙烯酰胺/海藻酸钙双网络水凝胶的两端，即得所述自供电气体传感器。
[0012]聚丙烯酰胺/海藻酸钙双网络水凝胶可以现有的制备方法制备得到。
[0013]本专利技术制备得到的自供电气体传感器具有制作简单、功耗低、长时间使用时电极的消耗小的优点。
[0014]本专利技术还保护上述所述自供电气体传感器在检测气体浓度中的应用。
[0015]本专利技术自供电气体传感器检测气体的原理为：无需要对阳极或阴极进行充电，气体自发在阳极或阴极发生电子得失行为，进行氧化或还原反应，而另一电极自发被氧化或被还原，增强了电荷流动，引起电流升高，电流升高的程度对应着气体的浓度，因而实现了气体传感。
[0016]在实际应用中，可以将信号采集和处理电路与本专利技术自供电气体传感器相连，通过监测的实时电流确定气体浓度。
[0017]优选地，所述应用中，所述气体为二氧化氮、二氧化碳、氨气、三氧化硫、氧气、乙醇蒸气、丙酮蒸气和异丙醇蒸气中的至少一种。
[0018]本专利技术的自供电气体传感器能够实现多种气体浓度的检测。
[0019]以检测NO2气体浓度为例，在检测NO2时，阳极金属发生氧化反应，失去电子，被氧化为金属阳离子，阴极发生还原反应，NO2得到电子，被还原为NO。氧化还原反应引起电流升高，电流升高的程度对应着NO2的浓度。因此，本专利技术的自供电气体传感器可以用于检测NO2的浓度。
[0020]优选地，所述应用中，所述气体为二氧化氮，所述阳极为锌，所述阴极为银。
[0021]通过阳极和阴极的组合可以实现合适的电势差，该电势差满足特定气体反应的特定需求时，电极处产生响应，从而可以检测气体浓度。
[0022]相对于阳极为铜锡合金，当自供电气体传感器的阳极为锌时，针对二氧化氮气体浓度的检测具有更高的响应灵敏度。
[0023]优选地，所述应用中，所述气体为二氧化氮，所述二氧化氮的浓度为50ppb～2ppm。
[0024]本专利技术自供电气体传感器在低浓度检测方面具有优势，本专利技术传感器在检测50ppb的NO2时，依然具有电流的较大变化，即依然可以得到明显的响应，不会被噪声淹没。
[0025]优选地，所述应用中，所述气体为二氧化碳，所述二氧化碳的浓度为150～250ppm。
[0026]优选地，所述应用中，所述气体为氨气，所述氨气的浓度为5～10ppm。
[0027]本专利技术还保护上述任意一项所述自供电气体传感器在制备穿戴式电子器件中的应用。
[0028]本专利技术的自供电气体传感器，以水凝胶作为电解质，具有灵敏度高、透明度高、拉伸性好和能够室温工作的优点，因此能够制备穿戴式电子器件。
[0029]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0030]本专利技术公开了一种自供电气体传感器，以水凝胶为电解质、采用不同的电极分别作为阳极和阴极制备气体传感器，利用二者电极电势的差别进行自供电，避免了使用外部电源，延缓了使用过程中电极的消耗和腐蚀，实现了长时间稳定工作。
[0031]本专利技术的自供电气体传感器能够检测二氧化氮、二氧化碳和氨气等气体浓度，且
具有较高的响应灵敏度。
附图说明
[0032]图1为本专利技术实施例1自供电气体传感器的结构示意图。
[0033]图2为本专利技术实施例1所用凝胶的透过率表征图。
[0034]图3a为本专利技术实施例1自供电气体传感器对一系列浓度NO2的响应测试曲线图。
[0035]图3b为本专利技术实施例1自供电气体传感器对NO2的灵敏度拟合结果。
[0036]图3c为本专利技术实施例1自供电气体传感器对50ppb NO2的响应测试曲线图。
[0037]图4a为本专利技术实施例1自供电气体传感器在0％、50％和100％应变下对2ppm NO2的响应测试曲线图。
[0038]图4b为本专利技术实施例1自供电气体传感器在0％、50％和100％应变下对2ppm NO2的响应测试柱状图。
[0039]图4c为本专利技术实施例1自供电气体传感器在45
°
弯曲下对2ppm NO2的响本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自供电气体传感器，其特征在于，包括阳极、阴极和电解质，所述阳极和阴极分别与所述电解质连接，所述电解质为聚丙烯酰胺/海藻酸钙双网络离子水凝胶，所述阴极和/或所述阳极与外接电源之间的电压为0V。2.如权利要求1所述自供电气体传感器，其特征在于，所述阳极为锌、铜锡合金或铁中的一种或几种。3.权利要求1或2所述自供电气体传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：制备聚丙烯酰胺/海藻酸钙双网络水凝胶，将阳极和阴极分别连接到所述聚丙烯酰胺/海藻酸钙双网络水凝胶的两端，即得所述自供电气体传感器。4.一种权利要求1或2所述自供电气体传感器在检测气体浓度中的应用。5.如权利要求4所述应用，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴进，韦耀铭，丁琼玲，吴子轩，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：