基于電紡有機-無機納米纖維的超靈敏低溫氣體傳感器

DOI:10.1016/j.orgel.2020.105659

有機-無機雜化材料具有高靈敏度、選擇性、快速響應時間、柔性和低功耗等優點，是一種極具發展前景的高性能氣體傳感器材料。本文介紹了一種高靈敏度、選擇性、低工作溫度的硫化氫氣體傳感器。它基于金屬氧化物納米粒子（NPs）嵌入到含有離子液體（IL）的有機半導體聚合物納米纖維（NFs）膜中。在這個前提下，采用靜電紡絲技術制備了平均直徑為130～20nm的高比表面積氧化鎢-聚乙烯醇（WO3-PVA）納米纖維復合傳感材料，并對其形貌和互連性進行了控制。評估了制備的含WO3 納米粒子的PVA納米纖維傳感材料在不同工作溫度和氣體濃度下對H2S氣體的潛在傳感能力。結果表明，該傳感器對H2S氣體具有高靈敏度和選擇性，并且表現出良好的重復性和長期穩定性。此外，該傳感器在潮濕環境中顯示出足夠的響應。同時也表明納米纖維膜的孔隙率和厚度控制了其傳感性能。最佳工作溫度為40℃，檢測閾值低至100ppb，響應時間為16.37±1.42s。這種高靈敏度、快速響應時間和低工作溫度（低功耗）的結合，為該傳感器具備超越現有設備的潛力提供了清晰的依據，這將為商業開發鋪平道路。

圖1.H2S氣體檢測系統。

圖2.原始WO3納米粒子的XRD圖譜（A）和SEM顯微照片（B）。

圖3.A）PVA-5vol%IL-5wt%WO3-5H、B）PVA-5vol%IL-5wt%WO3-7H、C）PVA-5vol%IL-5wt%WO3-9H的SEM圖像，D）孔隙率和厚度隨紡絲時間變化。

圖4.A）原始PVA納米纖維、B）PVA-5vol%IL-5wt%WO3-9H、C）PVA-5vol%IL-7.5 wt%WO3-9H、D）PVA-5vol%IL-10wt%WO3-9H的SEM圖像，E）孔隙度和纖維隨WO3含量變化，F）PVA-5vol%IL-7.5wt%WO3-9H的EDX。

圖5.原始PVA顆粒和電紡PVA納米纖維的熱分析圖。

圖6.A）（PVA-5vol%IL-7.5wt%WO3-9H）傳感器的I-V特性曲線與溫度的關系，B）PVA-5vol%IL-7.5wt%WO3-9H電阻的自然對數對逆溫度的依賴性。

圖7.PVA-5vol%IL-7.5wt%WO3-9H傳感器在A）20℃時1ppm 和B）40℃時100ppb下的重現性和代表性測量曲線。

圖8.在（A）40℃、（B）60℃時，不同紡絲時間的PVA-5vol%IL-5wt%WO3-5-9H傳感器的響應。

圖9.在（A）20℃、（B）40℃和（C）60℃時，PVA-5vol%IL-5-10wt%WO3-9H傳感器的響應。（D）PVA-5vol%IL-7.5wt%WO3-9H的響應時間隨溫度變化。

圖10.A：PVA-5vol%IL-7.5wt%WO3-9H傳感器的長期穩定性，B）濕度對PVA-5vol%IL-7.5wt%WO3-9H傳感器的影響，C）PVA-5vol%IL-7.5wt%WO3-9H傳感器的選擇性，D）在40℃時PVA-5vol%IL-7.5wt%WO3-9H傳感器的檢測極限。