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新南威爾士大學(xué)悉尼分校的一個科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開發(fā)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(shí)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(guī)中，用于監(jiān)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(xiàn)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的一個團(tuán)隊(duì)開發(fā)，對 NO 具有很高的敏感性2并且可以在室溫下運(yùn)行。

發(fā)表在《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）雜志上的最新研究還概述了如何使用復(fù)雜的打印技術(shù)可持續(xù)地生產(chǎn)傳感器的關(guān)鍵組件。

朱教授說：“這令人興奮，因?yàn)檫@不僅僅是為了科學(xué)而科學(xué)——這在實(shí)際應(yīng)用中具有很大的潛力。

“它是可持續(xù)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(xiàn)，這些傳感器可以在可穿戴傳感應(yīng)用和大規(guī)模生產(chǎn)中實(shí)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(qū)域（包括繁忙的道路、工廠和發(fā)電廠）可能特別高。

“其他氣體傳感器包括汽車發(fā)動機(jī)中的氣體傳

感器，用于檢測氧氣含量，”Chu 教授說�！斑@是因?yàn)槟�需要調(diào)整燃料和氧氣的比例以獲得良好的效率。

“它們還用于醫(yī)療保健環(huán)境，例如識別人們呼吸的成分�！�

然而，這些現(xiàn)有傳感器存在一些限制，包括運(yùn)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(fù)雜，這也意味著它們可能非常昂貴，”Chu 教授說�！袄�如，我們手套箱中的氧傳感器每個的成本$US 5,000 美元。”

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，需要不斷進(jìn)行研究和開發(fā)，以提高其準(zhǔn)確性、可靠性和多功能性。因此，Chu 教授和他的團(tuán)隊(duì)著手創(chuàng)造一種輕便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的傳感器來檢測 NO2.

2D 打印作為一種可持續(xù)的生產(chǎn)技術(shù)

該團(tuán)隊(duì)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(xù)性和生物相容性，該化合物以前曾被用于傳感應(yīng)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(shè)備已超過八年，“Chu 教授說。

“MoS 有兩個不同的子組2，一種導(dǎo)電性更強(qiáng)（意味著它更擅長導(dǎo)電），另一種導(dǎo)電性較差。

“我們發(fā)現(xiàn)，將這兩個亞組結(jié)合起來可以產(chǎn)生最好的氣體傳感器化合物，保持其導(dǎo)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(tuán)隊(duì)對可溶性化合物進(jìn)行了幾項(xiàng)額外的更改�！袄�如，我們還在可溶性混合物中添加了氮?dú)�，以提高其靈敏度，”Chu 教授說。

當(dāng) NO2分子劃傷表面，MoS2化合物具有吸收該分子的能力�！霸诓蹲� NO2分子中，表面電阻會發(fā)生變化，然后我們可以記錄室溫下電導(dǎo)率的變化。

這款迷你傳感器更獨(dú)特的是它是使用 2D 打印技術(shù)構(gòu)建的。

“2D 打印技術(shù)與 3D 打印類似，不同之處在于它發(fā)生在非常精細(xì)的表面上，以最大限度地降低傳感器的生產(chǎn)成本，”Chu 教授說�！斑@個過程涉及小結(jié)節(jié)，這些結(jié)節(jié)將可溶性材料注入到平坦的表面上�！�

該團(tuán)隊(duì)使用這種 2D 打印構(gòu)建了傳感器的兩個組件。“我們實(shí)際上使用 2D 打印打印出導(dǎo)電納米材料，這些材料充當(dāng)我們的傳感器電極，”朱教授說�！叭缓笪覀兇蛴�傳感器材料本身，即 MoS2我們在實(shí)驗(yàn)室中開發(fā)的。

有希望的初步結(jié)果

現(xiàn)有的商用氣體傳感器由于能耗高、精度低、實(shí)時監(jiān)測緩慢以及缺乏痕量濃度檢測能力，遇到了限制其開發(fā)和各種應(yīng)用的關(guān)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(dá) 300°C，否則無法檢測到，”Chu 教授說。“因?yàn)槲覀兊脑O(shè)備可以在室溫下工作，所以它需要的能源要少得多。”

實(shí)驗(yàn)室測試發(fā)現(xiàn)，他們的 MoS2基于傳感器的靈敏度高達(dá) 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(gòu)成威脅。濃度為 50–100 ppm NO2可能導(dǎo)致遲發(fā)性肺損傷，超過 200ppm 被認(rèn)為對生命構(gòu)成直接危險。

下一代氣體傳感技術(shù)

由于其微型尺寸和低能耗，這款可穿戴設(shè)備具有廣泛的用途，特別是在不同工作環(huán)境中安全測量氣體濃度時。

“我們希望致力于設(shè)計(jì)可穿戴傳感設(shè)備來監(jiān)測空氣質(zhì)量，例如用于采礦現(xiàn)場或倉庫的工業(yè)安全系統(tǒng)，因?yàn)?NO 濃度2可能會特別高，“Chu 教授說。

雖然這一發(fā)展代表了下一代氣體傳感器技術(shù)的一大進(jìn)步，但朱教授解釋說，仍有待改進(jìn)，例如測試對其他氣體的敏感性，這反過來又將擴(kuò)大其潛在應(yīng)用范圍。

“由于安全問題，我們接觸的氣體范圍有限，例如揮發(fā)性有機(jī)化合物或其他有毒氣體，如臭氧 3 或 CO，”他說�！叭绻�我們能測試更廣泛的氣體，以評估我們的傳感器如何對其他目標(biāo)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(xié)同相位調(diào)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(xué)提供