氨传感器作用 科研人员制备出无线自供电氨泄漏传感器

科研人员制备出无线自供电氨泄漏传感器

近日，中国科学院大连化学物理研究所化学传感器研究组研究员冯亮团队与大连海事大学轮机工程学院教授徐敏义团队合作，在氨能船舶的氨泄漏监测方面取得新进展。合作团队提出了一套完整的无线传输自供电传感系统，包括基于蜂窝状摩擦纳米发电机（TENG）的发电系统、基于碳纳米管掺杂的聚吡咯（CNTs-PPy）的氨检测系统，以及信号采集传输系统等。

近年来，液氨作为一种船用燃料，具有零碳、储存安全和高能量密度的特点，得到了越来越多的研究人员和航运业从业人员的关注，未来有望成为最重要的船舶能源之一。然而，氨气是一种常见的有毒气体，会刺激人的黏膜和呼吸系统，长期接触过量的氨气会导致氨中毒，在狭窄的机舱内，氨气泄漏会严重危害船员的生理健康。因此，针对长途海上航行，开发出一种实时准确监测氨气浓度的方法至关重要。

本工作中，科研人员制备了一种基于碳纳米管掺杂的聚吡咯氨气检测系统。碳纳米管与导电聚合物具备的协同效应，可以提高电子传导效率，进而显著增强室温下的传感性能。基于该材料的传感器表现出检测限低（0.2ppm）、响应时间短（约90s）、选择性高、稳定性好、成本低、可使用性强等特点，可充分满足所需要的传感性能。该传感器通过与低功耗蓝牙模块的组合，实现了从检测模块到计算机终端的快速无线通讯；再通过与海事大学提供的蜂窝结构摩擦纳米发电机相结合，收集了船舶发动机振动产生的机械能，并将其转化为电能，实现了整个传感系统的自驱动。随后，该设备在大连海事大学提供的远航科考船上进行实地测试：在高温高湿度的底层机舱中，整个传感系统保持正常运作，充分证实了其在实际应用中的潜力。该自供电无线检测系统可为远洋航行中的氨泄漏行为进行长期免维护监测，为氨能的进一步应用推广发挥了重要作用。

冯亮团队致力于传感器敏感膜的表界面调控及分析物分子的高效捕获研究，在以电信号输出为主的快速检测方面进行了深入研究：通过模板法构筑双介孔结构，以及蠕虫状导电聚合物孔道，提高了半导体膜对气体分子的捕捉效率，实现了室温下氨气高速灵敏检测（Adv. Funct. Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces）；在柔性基底表面构筑半导体膜材料，实现氨气与苯胺的双通道检测（Nano Energy）；调节水凝胶体系的超分子作用力，研发了一种新型超分子水凝胶基气体传感器（ACS Sens.）。

相关研究成果以A Full-set and Self-powered Ammonia Leakage Monitor System based on CNTs-PPy and Triboelectric Nanogenerator for Zero-carbon Vessels为题，发表在《纳米能源》（Nano Energy）上。研究工作得到大连化物所创新基金等的支持。

大连化物所等制备出无线自供电氨泄漏传感器用于氨能船舶

感知“利”器｜一种高灵敏度氨类气体传感器

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以氨气和小分子有机胺（如三甲胺、甲胺磷、苯胺、乙二胺等）等为代表的氨类气体既是重要的化工原料，也是典型的有毒气体，在工业生产或日常生活中都需要对该类气体的浓度进行有效监控。

气体传感器发展路径图

以氨气为例，它是一种应用广泛的工业原料，可用于化肥生产及制碱、制药、塑料、树脂、染料、合成纤维等化学工业生产，也常作冷冻剂使用。此外，氨气还可用于吸收大气中的CO2等温室气体，为发展低碳经济、应对全球气候变化的挑战提供新的思路。但氨气是一种典型的危险化学品，具有对人畜有毒、易燃、易爆、易挥发、具有强腐蚀性等特征，在实际应用中往往由于液氨钢瓶、储罐的爆炸，输氨管道或阀门的破裂，或运输中的意外等发生危险化学品事故，且该类事故率相当高。

因此，迫切需要可以对氨气的生产、储存以及运输进行实时现场监控的高灵敏度传感器，尽可能降低发生危险化学品事故的几率。其它氨类气体亦与人们的日常生活密切相关，需要进行高灵敏度检测。例如，三甲胺是鱼类腐败散发出来的典型气体分子，在鱼体表面监测三甲胺的浓度，可以预知鱼肉的新鲜程度。又如，甲胺磷是一种我国已经停止使用的剧毒农药，对蔬菜瓜果等农副产品表面散发的低浓度甲胺磷蒸气进行快速检测，可以保障食品安全。

【推荐发明专利】

《一种高灵敏度氨类气体传感器及其制作方法》

【技术背景】

气体传感器技术纷繁复杂，有九种不同的方法。一般情况下，选择何种气体传感器技术取决于价格、尺寸、功耗、灵敏度和响应时间。

金属氧化物半导体（MOS）技术应用较广，涵盖医疗、交通运输、暖通空调、消费类产品，并且使用寿命长（5~10年）。催化（Catalytic）和电化学（electrochemical）技术是“老”技术，且使用寿命短（5年以下），主要用于国防和工业安全。

光学技术具有最高的精确度和最长的使用寿命，但是由于成本过高和环境恶劣，并没有广泛地应用于交通运输，而是获得暖通空调的“青睐”，尤其是非色散红外传感器（NDIR）。随着集成度进一步提高，光学技术还将打开便携式工业检测系统的市场。光学技术，如NDIR、傅立叶变换红外（FTIR）、化学发光（chemiluminescence）和微色谱法（microchromatography），是很准确的，但是较为笨重和昂贵，某些情况下，功耗也较高。如果NDIR采用光电二极管和LED时，可以实现极低的功耗。

而MEMS技术，它不是一种新的检测原理，而是一个新的制造平台，能够使现有技术产品进一步小型化。

【发明内容】

本发明基于谐振式微悬臂梁质量型敏感检测平台，使用具有高羧基含量的介孔纳米颗粒材料为吸附质量型氨类气体敏感材料，依据介孔纳米颗粒材料中的大量羧基基团与氨类气体 分子之间存在的酸碱特异性作用，有选择性地将痕量浓度的氨气分子依附于介孔纳米颗粒上 （该吸附过程增加了该敏感材料的质量），从而引起谐振式微悬臂梁输出的谐振频率信号降低，获得一种可以检测ppb（ppb＝体积浓度为10-9）量级氨类气体的高灵敏度传感器。

示例：通过共缩聚方法制得的羧基功能化的介孔纳米颗粒的热重测试图谱

【相关气体传感器专利】

《一种小体积长光程的气体检测用光学腔体》

《一种双光程多气体红外气体传感器》

《一种具有四支撑悬梁四层结构的电阻式气体传感器及方法》

《基于硫掺杂石墨烯的氮氧化物气体传感器》

【相关研究报告】

《微型气体传感器专利分析报告》

《气体传感器技术和市场》

《CCS挥发性有机化合物MEMS气体传感器：CCS801》

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