[发明专利]一种凝胶电解质及其制备方法、气体传感器和应用

说明书

本发明涉及一种凝胶电解质及其制备方法、气体传感器和应用。所述凝胶电解质包括有机聚合物和离子液体，所述凝胶电解质中分散有二维纳米材料，所述二维纳米材料为半导体和/或绝缘体。所述传感器包括外壳，所述外壳中的工作电极、参比电极和对电极，以及所述的凝胶电解质；其中，所述外壳包括至少一开口，所述凝胶电解质与所述工作电极、参比电极和对电极电接触，所述工作电极、参比电极和对电极彼此电绝缘。离子液体凝胶电解质与半导体/绝缘体的二维纳米材料产生协同作用，提高传感器的电导率和灵敏度。

技术领域

本发明涉及有毒气体电化学传感器技术领域，尤其涉及一种凝胶电解质及 其制备方法、气体传感器和应用。

背景技术

为了防止有毒气体泄露对生产、生活造成的危害，能够及时有效检测有毒 气体的泄漏并报警，通过氨气、氯化氢传感器实时监测工作和居住环境中氨气、 氯化氢含量具有重要意义。因此，研究和制作成本低廉、检测灵敏度高的氨气、 氯化氢传感器进行在线监测已成为研究热点，尤其是化工、医疗和农业等生产 领域。

气体传感器的基本测定元件是电化学电池，其包括经由电解质(即离子导 体)相互接触的至少两个电极。在电池通向大气的一侧上，待分析气体可以流 到其中一个电极(工作电极或传感电极)，并在该处得到电化学转化。由该转化 产生的电流与所存在气体的量成正比。由电流产生例如可用于提供警报的信号。 电流型电化学气体传感器具有检测范围宽、测量精度高、价格低廉、可用于现 场监测等优点，倍受人们的关注。

电流型电化学气体传感器寿命主要与电解液有关，目前已经有很多电化学 型氨气、氯化氢等危险气体传感器，主要集中在直接利用贵金属催化剂在中性 或碱性水溶液中的直接电化学氧化，但这类传感器电解液易因漏液、挥发失水 和吸收空气中的二氧化碳而失效，导致不能长期使用、精度不高，废弃电解质 污染环境。金属半导体、导电聚合物、纳米材料和电化学原理的氨气、氯化氢 等危险气体传感器的灵敏度低、响应时间长、精度不高和成本过高等缺点。

离子液体(IL)也已经用作电解质。离子液体被定义为熔点低于100℃的液 体盐。离子液体也称室温熔融盐，一般是由有机阳离子和阴离子构成的在室温 下呈液态的盐类化合物。离子液体电解液优点：1)液体状态温度范围宽，从低 于或接近室温至300℃范围，具有良好的物理和化学稳定性；2)蒸汽压低，不 易挥发，没有水电解液干涸和结晶的问题；3)离子电导率高；4)电化学窗口 宽；5)较大的可调控极性；6)低毒、无毒；7)高选择性等。目前尚没有将二 维半导体纳米材料和离子液体复合物作为高灵敏度、高电导率电解质的报道。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种 基于离子液体凝胶电解质新型有毒气体传感器，解决现有传感器灵敏度低、响 应时间长、精度不高、寿命短和成本过高等问题。

为达此目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种凝胶电解质，所述凝胶电解质包括有机聚合物 和离子液体，所述凝胶电解质中分散有二维纳米材料，所述二维纳米材料为半 导体和/或绝缘体。

离子液体凝胶电解质有效解决液态电解质的缺点，与二维半导体纳米材料 复合，二者产生协同作用，形成大量快捷的离子通道，从而提高电导率和灵敏 度。

优选地，所述有机聚合物包括聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氟乙烯-六氟 丙烯(PVDF-HFP)、聚环氧乙烯(PEO)、聚甲基丙烯酸甲酸(PMMA)和聚丙 烯腈(PAN)中的任意一种或至少两种的组合，其中，典型但非限制性的组合为： PVDF与PEO的组合，PMMA与PAN的组合，PVDF-HFP与PAN的组合，PAN 与PEO的组合，PVDF-HFP、PMMA与PAN的组合，PEO、PAN、PVDF与PMMA 的组合；优选PVDF。