北京科技大學Chemical Engineering Journal：一體化納米纖維膜柔性SO2氣體傳感器

SO₂作為鋼鐵行業主要的污染排放物，是形成霧霾、酸雨的主要污染物之一，嚴重影響了人們的生活，對其實時監測監控已成為關注的焦點。電容式氣體傳感器具有結構簡單、檢測靈敏度高、易于實現小型化等特點，因而受到研究者的廣泛青睞。MOFs材料是由中心金屬離子和有機配體形成的一類具有微孔和規則孔道的晶體材料，可以實現對多種氣體分子有選擇性吸附和主動吸附，因而成為電容式氣體傳感器敏感材料優選的對象。然而目前MOFs材料應用于氣體傳感器主要是通過與其他基底材料進行多層復合（如將MOFs顆粒噴涂到銅板基底上），這樣極大的增加了傳感器的制備工藝過程。并且傳感器在彎曲過程中多層結構會出現分離，影響傳感器的穩定性能。

北京科技大學博士生翟振宇通過原位構筑的方式成功的將Zr基金屬有機骨架材料UiO-66-NH₂生長到靜電紡納米纖維（PAN）的表面。利用制備出PAN@ UiO-66-NH₂復合膜作為電容式氣體傳感器的介電層，通過噴涂碳納米管作為電極材料，并成功制備出具有高靈敏的一體化電容式SO₂氣體傳感器。

圖1?傳感器制備流程圖

在原位構筑過程中，為降低過程中有機溶劑的使用對環境產生的影響，因此采用水作為溶劑，通過添加三氟乙酸作為調節劑，控制UiO-66-NH₂顆粒均勻的生長到PAN納米纖維膜的表面。制備出的PAN@UiO-66-NH₂不僅具有良好的透氣性能，而且極大的提高了MOFs顆粒的分散程度，有利于提升氣體傳感器的靈敏度和響應速度。

圖2（a）PAN納米纖維膜；（b）PAN@UiO-66-NH₂;（c）PAN@UiO-66-NH₂@CNT的照片和SEM圖像；（d）PAN@UiO-66-NH₂中C、N和Zr元素的分布。

PAN@UiO-66-NH₂傳感器對于SO₂氣體表現出良好的靈敏性以及循環穩定性。傳感對1-125?ppm濃度范圍內的SO₂表現出良好的線性響應（R²=0.996）,并且經過30天的測試周期，傳感器對于SO₂的響應性能依然可以保持穩定。

圖3?（a）傳感器對于不同濃度SO₂的響應曲線；（b）30天內傳感器的穩定性測試； 傳感器的（c）響應以及（d）恢復時間。

同時測試了PAN@UiO-66-NH₂傳感器的可水洗性、溫度、彎曲性以及選擇性能。由于UiO-66-NH₂與納米纖維之間存在很強的結合力，并且UiO-66-NH₂具有很好的物理和化學穩定性。因此在水洗（24?h）以及彎折（180°）的過程中對于傳感器的影響較小。

圖4?（a）水洗（b）彎曲的照片；（c）彎曲對傳感性能的影響；（d）溫度對傳感性能的影響；（e）水洗時間對于傳感性能的影響；（f）傳感器的選擇性。

總之，這項工作通過原位構筑的方式將MOFs顆粒均勻的生長到納米纖維膜的表面，并首次將其應用于電容式氣體傳感器，對于柔性氣體傳感器的研究具有重要借鑒意義。

該論文第一作者為二年級博士生翟振宇，主要研究方向為納米纖維、MOFs制造與傳感器設計，師從李從舉教授，讀博期間已發表SCI及EI檢索論文4篇。

Zhenyu Zhai, Xiuling Zhang, Jiaona Wang^*, Huiyu Li, Yaxin Sun, Xiaoke Hao, Yue Qin, Ben Niu, Congju Li^*?Washable and Flexible Gas Sensor Based on UiO-66-NH₂?Nanofibers Membrane for Highly Detecting SO_2.?Chemical Engineering Journal, DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131720

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