北京科技大学Chemical Engineering Journal：一体化纳米纤维膜柔性SO2气体传感器

SO₂作为钢铁行业主要的污染排放物，是形成雾霾、酸雨的主要污染物之一，严重影响了人们的生活，对其实时监测监控已成为关注的焦点。电容式气体传感器具有结构简单、检测灵敏度高、易于实现小型化等特点，因而受到研究者的广泛青睐。MOFs材料是由中心金属离子和有机配体形成的一类具有微孔和规则孔道的晶体材料，可以实现对多种气体分子有选择性吸附和主动吸附，因而成为电容式气体传感器敏感材料优选的对象。然而目前MOFs材料应用于气体传感器主要是通过与其他基底材料进行多层复合（如将MOFs颗粒喷涂到铜板基底上），这样极大的增加了传感器的制备工艺过程。并且传感器在弯曲过程中多层结构会出现分离，影响传感器的稳定性能。

北京科技大学博士生翟振宇通过原位构筑的方式成功的将Zr基金属有机骨架材料UiO-66-NH₂生长到静电纺纳米纤维（PAN）的表面。利用制备出PAN@ UiO-66-NH₂复合膜作为电容式气体传感器的介电层，通过喷涂碳纳米管作为电极材料，并成功制备出具有高灵敏的一体化电容式SO₂气体传感器。

图1 传感器制备流程图

在原位构筑过程中，为降低过程中有机溶剂的使用对环境产生的影响，因此采用水作为溶剂，通过添加三氟乙酸作为调节剂，控制UiO-66-NH₂颗粒均匀的生长到PAN纳米纤维膜的表面。制备出的PAN@UiO-66-NH₂不仅具有良好的透气性能，而且极大的提高了MOFs颗粒的分散程度，有利于提升气体传感器的灵敏度和响应速度。

图2（a）PAN纳米纤维膜；（b）PAN@UiO-66-NH₂;（c）PAN@UiO-66-NH₂@CNT的照片和SEM图像；（d）PAN@UiO-66-NH₂中C、N和Zr元素的分布。

PAN@UiO-66-NH₂传感器对于SO₂气体表现出良好的灵敏性以及循环稳定性。传感对1-125 ppm浓度范围内的SO₂表现出良好的线性响应（R²=0.996）,并且经过30天的测试周期，传感器对于SO₂的响应性能依然可以保持稳定。

图3 （a）传感器对于不同浓度SO₂的响应曲线；（b）30天内传感器的稳定性测试； 传感器的（c）响应以及（d）恢复时间。

同时测试了PAN@UiO-66-NH₂传感器的可水洗性、温度、弯曲性以及选择性能。由于UiO-66-NH₂与纳米纤维之间存在很强的结合力，并且UiO-66-NH₂具有很好的物理和化学稳定性。因此在水洗（24 h）以及弯折（180°）的过程中对于传感器的影响较小。

图4 （a）水洗（b）弯曲的照片；（c）弯曲对传感性能的影响；（d）温度对传感性能的影响；（e）水洗时间对于传感性能的影响；（f）传感器的选择性。

总之，这项工作通过原位构筑的方式将MOFs颗粒均匀的生长到纳米纤维膜的表面，并首次将其应用于电容式气体传感器，对于柔性气体传感器的研究具有重要借鉴意义。

该论文第一作者为二年级博士生翟振宇，主要研究方向为纳米纤维、MOFs制造与传感器设计，师从李从举教授，读博期间已发表SCI及EI检索论文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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