一种气体检测装置及其制备方法

本技术涉及气体传感器的，具体涉及一种气体检测装置及其制备方法。

背景技术：

1、二氧化氮(no2)是一种红棕色的、具有刺激性气味的有毒且具有腐蚀性的气体，其主要来源为工业生产、化石燃料燃烧以及机动车尾气排放等。过量排放的二氧化氮会造成大气能见度降低、酸雨、光化学烟雾、地表水富营养化等一系列环境公害问题。同时，人类长期接触低浓度的二氧化氮会引起缓慢中毒，出现反应迟钝、失眠、记忆力衰退、多发性神经炎、动脉粥样硬化、呼吸困顿综合、肺纤维化、牙齿酸蚀等一系列问题。国家发布的《工作场所有害因素职业接触限值-化学有害因素》中规定：工作场所中二氧化氮的加权平均容许浓度为2.61ppm，短时间接触容许浓度为5.22ppm；《室内空气质量标准》(gb/t18883-2022)中规定：家庭环境室内二氧化氮平均浓度限值为0.1ppm。因此，对于二氧化氮浓度的检测，不仅在工作场合中非常重要，在家庭环境中也应该得到重视。

2、当前，关于二氧化氮气体传感器的研究报道、公开专利与实际产品数量都较多，然而，普遍还存在着一些共性问题亟待解决。如《一种以介孔氧化钨为敏感电极的高灵敏度电化学二氧化氮气体传感器的制备方法》(cn202210538067.5)、《一种基于sno2-mose2异质结构敏感材料的no2室温气体传感器及其制备方法》(cn 202310478189.4)等专利，它们的内容均是仅包括了化学方法合成对应的微纳米敏感材料、将材料加载在陶瓷管和叉指电极上，而缺乏后续的信号检测、处理、显示等步骤，难以直接用于实验室之外的环境进行检测。而如《二氧化氮光声光谱气体传感器》(cn202320393964.1的)、《一种恒温恒湿二氧化氮传感器装置》(cn202120663391.0)、《一种水凝胶气体传感器、气体检测装置及气体检测方法》(cn201911283783.8)等专利，虽然提供了完整的从传感器制作到信号检测的方式，但其内容包含了加热器、电阻检测单元、气泵，阀口、信号采集及放大模块、光声探测模块、数字显示模块等等复杂的结构。

3、对于目前现有的这些二氧化氮检测方案来说，制造出来的检测装置其体积较大、成本较高，且检测原理、操作流程、仪器保养等流程相对复杂，对测量数据进行分析的专业性要求也很高，不适用于普通家庭或非专业人士直接使用。因此，提供一种结构简单、操作便捷、成本低廉的二氧化氮测试方案，以便于普通百姓日常生活中的气敏检测，具有很高的实用需求和价值。

技术实现思路

1、为了解决上述技术缺陷之一，本技术实施例中提供了一种气体检测装置及其制备方法。

2、根据本技术实施例的第一个方面，提供了一种气体检测装置，包括：气体敏感单元、电致变色单元和供电单元；所述气体敏感单元，包括：气体敏感薄膜：其电阻值在常温下可随着接触的待测气体的浓度变化而呈规律性变化，主要由在常温下与待测气体具有气敏反应的敏感材料制备而成；第一上电极：设置于气体敏感薄膜的正面，并与气体敏感薄膜电性导通；第一下电极：设置于气体敏感薄膜的背面，并与气体敏感薄膜电性导通；所述电致变色单元，包括：电致变色薄膜：其颜色可随着加载电压的高低变化而呈规律性变化；第二上电极：设置于电致变色薄膜的正面，并与电致变色薄膜电性导通；凝胶电解质：设置于电致变色薄膜与第二上电极之间；第二下电极：设置于电致变色薄膜的正面，并与电致变色薄膜电性导通；所述气体敏感单元、电致变色单元和供电单元相互串联在一起，形成供电回路；具体地，所述气体敏感单元通过第一上电极、第一下电极与所述电致变色单元、供电单元进行串联，所述电致变色单元通过第二上电极、第二下电极与所述敏感单元、供电单元进行串联。

3、优选地，所述气体敏感单元，还包括：第一封装壳体：具有气体检测窗口；所述气体敏感薄膜、第一上电极和第一下电极均位于第一封装壳体中；所述电致变色单元，还包括：第二封装壳体：具有薄膜颜色变化观察窗口；所述电致变色薄膜、第二上电极、凝胶电解质和第二下电极均位于第二封装壳体中；所述气体检测装置，还包括：封装盒体：所述气体敏感单元、电致变色单元和供电单元均集成设置于封装盒体中。

4、优选地，所述气体敏感单元，还包括：硅胶保护网：设置于第一封装壳体中，并覆盖于由第一上电极、气体敏感薄膜和第一下电极共同组成的敏感组件的上方。

5、优选地，所述电致变色单元，还包括：辅助识别薄膜：具有识别标记，设置于第二封装壳体中，并位于第二下电极的下方。

6、优选地，所述气体为二氧化氮气体；其敏感材料为金属氧化物与mo4/3b2mbene材料构成的复合材料，所述金属氧化物为与二氧化氮气体具有气敏反应的过渡金属氧化物，且所述金属氧化物和mo4/3b2 mbene材料的质量比位于3％～20％之间。。

7、根据本技术实施例的第二个方面，提供了一种如前所述的敏感材料的制备方法，包括以下步骤：s101、制备刻蚀液：称取一定量的氟化锂粉末加入至质量分数大于20％的浓盐酸中，充分搅拌后制备成刻蚀液；其中，氟化锂的浓度不小于2％；s102-1、制备mo4/3b2mbene材料：称取一定量的(mo2/3y1/3)2alb2粉末，缓缓加入步骤s101制备出的刻蚀液中、并确保(mo2/3y1/3)2alb2粉末的浓度不大于5％；在35℃的条件下，持续搅拌3.5小时以上后，取出沉淀；将沉淀反复用去离子水进行离心清洗，直到离心管里的上清液的ph值大于6；将清洗后的沉淀在真空干燥箱中40℃的条件下干燥4小时以上，获得灰黑色的mo4/3b2 mbene材料；s103、制备敏感材料：称取一定量的mo4/3b2 mbene材料和金属氧化物粉末分散于去离子水中；其中，金属氧化物颗粒的特征尺度小于mo4/3b2 mbene颗粒的特征尺度的一半；在60℃～80℃的条件下连续搅拌12小时以上，使金属氧化物和mo4/3b2 mbene材料充分混合；混合结束后，进行离心干燥，得到复合而成的敏感材料。

8、优选地，在步骤s103之前，还包括以下步骤：s102-2、制备金属氧化物；当金属氧化物为氧化铈时，步骤s102-2为：将一定量的naoh和ce(no3)3·6h2o分别溶解在一定量的去离子水中，通过剧烈搅拌将两种溶液进行混合后，再连续搅拌30分钟；将所得的悬浮液转移至具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中，并在180℃的条件下加热24小时；对加热后的悬浮液进行离心，并用去离子水洗涤五次，获得样品；将样品在60℃的条件下干燥12小时，并在500℃的条件下煅烧3小时，得到纯净的氧化铈纳米颗粒；当金属氧化物为氧化钨时，步骤s102-2为：将一定量的na2wo4·2h2o和cacl2·2h2o溶解在一定量的去离子水中，在室温下持续搅拌6小时，并在搅拌过程中向溶液中滴加盐酸，直到溶液的ph值为0.5；将所得的悬浮液转移至具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中，并在160℃的条件下加热12小时，随后自然冷却到室温；对冷却后的溶液进行离心，并用去离子水洗涤五次，获得样品；将样品在60℃的条件下干燥12小时，并在450℃的条件下煅烧2小时，得到纯净的氧化钨纳米颗粒。

9、根据本技术实施例的第三个方面，提供了一种如前所述的气体检测装置的制备方法，包括以下步骤：s201、制备气体敏感单元：提供第一下电极；采用静电喷墨打印技术，在第一下电极的表面打印一层气体敏感薄膜；其中，静电喷墨打印油墨中溶解有敏感材料，且所述敏感材料由前述的制备方法制备而成；在气体敏感薄膜上设置第一上电极；将整体结构用第一封装壳体进行封装，第一封装壳体上设有气体检测窗口以及用于导线引出的引出孔；s202、制备电致变色单元：提供第二下电极；采用电化学沉积技术或磁控溅射技术，在第二下电极的表面设置一层电致变色薄膜；在电致变色薄膜上依次设置凝胶电解质和第二上电极；将整体结构用第二封装壳体进行封装，二封装壳体上设有薄膜颜色变化观察窗口以及用于导线引出的引出孔；s203、形成供电回路：提供供电单元；利用导线，将气体敏感单元、电致变色单元和供电单元相互串联在一起；s204、集成封装：将气体敏感单元、电致变色单元和供电单元一起放入封装盒体中进行整体封装，形成集成结构。

10、优选地，步骤s201中，在将整体结构用第一封装壳体进行封装之前，还包括以下步骤：在敏感组件的上方设置硅胶保护网，所述敏感组件由第一上电极、气体敏感薄膜和第一下电极共同组成。

11、优选地，步骤s202中，在将整体结构用第二封装壳体进行封装之前，还包括以下步骤：在第二下电极的下方设置具有识别标记的辅助识别薄膜。

12、本技术实施例中的气体检测装置主要由三个模块组成：气体敏感单元、电致变色单元和供电单元，上述三个模块之间相互串联在一起形成一个供电回路；气体敏感单元中，制备气体敏感薄膜的敏感材料在常温下可与待测气体产生气敏反应，进而使得气体敏感薄膜的电阻值随着所接触的待测气体的浓度变化相应地呈现出规律性变化；电致变色单元中，加载在电致变色薄膜上的电压不一样会导致电致变色薄膜呈现不一样的颜色或者深浅程度，即电致变色薄膜的颜色可随着加载电压的高低变化而呈现出规律性变化。当需要对环境中的目标气体进行检测时，只需将整个检测装置放置于检测环境中即可，气体敏感单元中的气体敏感薄膜在接触到环境中的待测目标气体后，其电阻值会随着待测目标气体的浓度变化而变化，由于气体敏感单元和电致变色单元为串联关系，气体敏感薄膜的电阻变化会直接影响加载在电致变色薄膜上的电压值，进而影响电致变色薄膜的颜色变化，所以只需通过观察电致变色薄膜的颜色变化即可直观地判断出检测环境中目标气体的大致浓度。

13、本实施例中的气体检测方案无需常规气敏测试中的加热、气流、信号采集、数据处理以及显示输出等模块的参与，结构和加工工艺较为简单、体积较小、成本低廉、使用简便、结果易于解读，非常适用于日常生产生活中二氧化氮等气体的检测，具有极高的实用价值。

14、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所指出的内容来实现和获得。