微气体传感器 研究人员开发出微型超级电容器-气体传感器平面化集成微系统

研究人员开发出微型超级电容器-气体传感器平面化集成微系统

近日，中国科学院大连化学物理研究所二维材料与能源器件研究组研究员吴忠帅团队与化学传感器研究组研究员冯亮团队合作，设计并可控制备出一种有序双介孔聚吡咯/石墨烯纳米片，以其作为双功能活性材料构筑出高性能、柔性化的微型超级电容器-气体传感器平面化集成微系统。

便携式、可穿戴、可植入电子器件的快速发展极大地刺激了现代社会对微型电化学储能器件及其集成微系统的强烈需求。其中，微型超级电容器-气体传感器集成系统可以对有害气体进行快速、实时、无线监测，实现对工业生产过程、环境污染物排放以及身体健康等的监控和管理。但是，目前报道的超级电容器-传感器集成微系统存在活性材料功能单一、器件连接复杂的问题，严重影响了器件整体的性能。因此，亟待开发具有高电化学活性和气体传感性能的双功能材料及其创新的微型超级电容器-传感器集成微系统。

最近，该研究团队发展了软-硬模板相结合的方法，可控制备出一种双功能的分级层次有序双介孔聚吡咯/石墨烯纳米片，并成功构筑出一类高性能微型超级电容器-气体传感器平面化集成微系统，实现了微型超级电容器和气体传感器这两种器件在同一平面基底上高效一体化集成。这种新型二维纳米片厚度均一（80 nm）、双介孔分级层次有序（7 nm和18 nm）、比表面积高，同时结合了高赝电容、高氨气灵敏的聚吡咯和高导电的石墨烯的优势，展现出高电化学性能（比容量为376 F/g）和高氨气响应（在10 ppm NH3下，响应值为42%）。同时，集成微系统中的微型超级电容器在充电100 s后，可有效驱动氨气传感器的正常运行，并且展现出了较高的响应性和优异的机械柔性。该工作为新型二维介孔材料的设计与合成，以及便携式、可穿戴的集成微系统的构筑提供了一定的科学依据。

相关成果发表在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上。上述工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、大连化物所科研创新基金等的资助。

大连化物所开发出微型超级电容器-气体传感器平面化集成微系统

来源： 中国科学院大连化学物理研究所

神奇的气体传感器

气体传感器是指将被检测的气体分子与气敏材料发生的物理或化学反应所产生的物理或化学量变化，转变为可有效测量的电信号、光信号、声信号等，从而实现对气体种类和浓度进行测量的一种传感器。

根据工作原理，气体传感器可分为直接测量敏感材料电学性能变化的电学型气体传感器和间接测量气体种类与浓度的光学型气体传感器。

电学型气体传感器包括半导体型、电化学型、催化燃烧型、石英微天平型与声表面波型，每一种的原理都不相同。比如半导体型气体传感器主要根据半导体敏感材料与气体发生反应，导致敏感材料的电子发生得失，从而改变气敏材料的电学性能，通过检测其电学性能的变化即可准确地检测气体。

间接测量型气体传感器最主要的红外气体传感器是一种基于不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性，利用气体浓度与吸收强度关系来检测气体组分并确定其浓度的气体传感装置。

随着科技的持续发展，气体传感器在安防和环境监测领域都有了广泛的应用。安防领域有装配在矿工帽矿灯上的矿灯瓦斯报警器。这种矿灯瓦斯报警器兼具了照明与瓦斯报警两种功能，主要适合小型煤矿及家庭的使用。当气敏电阻器与电位器组成气体检测电路，时基电路与其外围元件组成了多谐振荡器。当无瓦斯气体时，气敏电阻器的电阻率很小电阻值很大，电位器滑动触点的输出电压小，集成电路被强行复位振荡器而不工作，报警器亦不报警。当周围空气中有瓦斯气体时电导率会迅速增加，电阻值变的特别小，滑动触点输出的电压升高，集成电路变高电平，振荡器电路的起振扬声器即发出报警声。环境监测领域有相应的自动空气清新器，当室内空气污浊或有害气体达到一定浓度时，自动空气清新器自动产生负氧离子保持空气清新。

除此之外，气体传感器被广泛应用于生产过程监控、气体成分分析等领域，为我国的各行业发展、为万物互联提供了有力支持。

本文由石家庄藁城区兴安镇中学高级教师崔会欣进行科学性把关。

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