新南威尔士大学悉尼分校的一个科学家团队开发了一种高灵敏度的微型传感器，能够检测低水平的有毒气体二氧化氮 （NO2).这个小巧灵活的传感器可以实时检测有害气体，而无需外部能源。

气体传感器用途广泛，特别是在健康和安全法规中，用于监测可燃、易燃和有毒气体的存在。

该传感器的尺寸约为 2cm x 2cm，厚度仅为 0.4mm，有可能克服气体传感器的一些现有限制，包括尺寸受限、成本高和能耗高。

这个新原型由 Jiyun Kim 女士、Tao Wan 博士、Long 胡 博士、Dewei Chu 教授和新南威尔士大学材料科学与工程学院的一个团队开发，对 NO 具有很高的敏感性2并且可以在室温下运行。

发表在《先进科学》（Advanced Science）杂志上的最新研究还概述了如何使用复杂的打印技术可持续地生产传感器的关键组件。

朱教授说：“这令人兴奋，因为这不仅仅是为了科学而科学——这在实际应用中具有很大的潜力。

“它是可持续的，并显示出卓越的性能，这让人感觉我们正在为革命性气体传感器做出贡献，这些传感器可以在可穿戴传感应用和大规模生产中实施。”

气体传感器的用途是什么？

气体传感器广泛用于不同的目的。最常见的是，它们用于健康和安全目的，例如检测危险水平的有毒气体，包括一氧化碳 （CO） 和 NO2.NO 水平2在排放源众多的区域（包括繁忙的道路、工厂和发电厂）可能特别高。

“其他气体传感器包括汽车发动机中的气体传

感器，用于检测氧气含量，”Chu 教授说。“这是因为您需要调整燃料和氧气的比例以获得良好的效率。

“它们还用于医疗保健环境，例如识别人们呼吸的成分。”

然而，这些现有传感器存在一些限制，包括运行所需的尺寸和高能耗，以及传感器的灵敏度有限和随着时间的推移而退化。

“目前的气体传感器可能很复杂，这也意味着它们可能非常昂贵，”Chu 教授说。“例如，我们手套箱中的氧传感器每个的成本$US 5,000 美元。”

为了应对这些挑战，需要不断进行研究和开发，以提高其准确性、可靠性和多功能性。因此，Chu 教授和他的团队着手创造一种轻便、经济实惠的传感器来检测 NO2.

2D 打印作为一种可持续的生产技术

该团队从一种众所周知的、有前途的化合物开始研究，由于其可持续性和生物相容性，该化合物以前曾被用于传感应用：二硫化钼 （MoS2).

“我的研究小组一直在研究 MoS 的潜力2作为传感设备已超过八年，“Chu 教授说。

“MoS 有两个不同的子组2，一种导电性更强（意味着它更擅长导电），另一种导电性较差。

“我们发现，将这两个亚组结合起来可以产生最好的气体传感器化合物，保持其导电性（这对这些传感器来说是必不可少的），同时对外部气体成分也很敏感。”

组合 MoS 的两个亚型2，该团队对可溶性化合物进行了几项额外的更改。“例如，我们还在可溶性混合物中添加了氮气，以提高其灵敏度，”Chu 教授说。

当 NO2分子划伤表面，MoS2化合物具有吸收该分子的能力。“在捕捉 NO2分子中，表面电阻会发生变化，然后我们可以记录室温下电导率的变化。

这款迷你传感器更独特的是它是使用 2D 打印技术构建的。

“2D 打印技术与 3D 打印类似，不同之处在于它发生在非常精细的表面上，以最大限度地降低传感器的生产成本，”Chu 教授说。“这个过程涉及小结节，这些结节将可溶性材料注入到平坦的表面上。”

该团队使用这种 2D 打印构建了传感器的两个组件。“我们实际上使用 2D 打印打印出导电纳米材料，这些材料充当我们的传感器电极，”朱教授说。“然后我们打印传感器材料本身，即 MoS2我们在实验室中开发的。

有希望的初步结果

现有的商用气体传感器由于能耗高、精度低、实时监测缓慢以及缺乏痕量浓度检测能力，遇到了限制其开发和各种应用的关键问题。

“目前市场上的气体传感器的原理是必须加热，有时高达 300°C，否则无法检测到，”Chu 教授说。“因为我们的设备可以在室温下工作，所以它需要的能源要少得多。”

实验室测试发现，他们的 MoS2基于传感器的灵敏度高达 10ppm NO2— 这意味着传感器能够成功检测 10 个 NO 颗粒2在 1 万个气体颗粒中。

虽然 NO2天然存在于空气中极少量，主要来源是人类活动，如燃烧煤炭，而高浓度的气体对人类生命构成威胁。浓度为 50–100 ppm NO2可能导致迟发性肺损伤，超过 200ppm 被认为对生命构成直接危险。

下一代气体传感技术

由于其微型尺寸和低能耗，这款可穿戴设备具有广泛的用途，特别是在不同工作环境中安全测量气体浓度时。

“我们希望致力于设计可穿戴传感设备来监测空气质量，例如用于采矿现场或仓库的工业安全系统，因为 NO 浓度2可能会特别高，“Chu 教授说。

虽然这一发展代表了下一代气体传感器技术的一大进步，但朱教授解释说，仍有待改进，例如测试对其他气体的敏感性，这反过来又将扩大其潜在应用范围。

“由于安全问题，我们接触的气体范围有限，例如挥发性有机化合物或其他有毒气体，如臭氧 3 或 CO，”他说。“如果我们能测试更广泛的气体，以评估我们的传感器如何对其他目标气体起作用，那就太好了。”

更多信息：Jiyun Kim 等人，用于高灵敏度柔性 NO2 传感器的 MoS2 协同相位调制和 N 掺杂，Advanced Science （2024）。

DOI： 10.1002/advs.202410825

期刊信息： Advanced Science 

由新南威尔士大学提供