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基本信息

項(xiàng)目名稱：
納米碳管接枝納米過渡金屬制備一氧化碳傳感器
小類：
能源化工
簡介：
研究制備了基于納米鉑-鎳/聚苯胺/納米碳管復(fù)合催化劑的一氧化碳電化學(xué)傳感器，成功解決了催化劑中毒和電解液揮發(fā)的關(guān)鍵問題；對一氧化碳檢測的靈敏度可達(dá)到0.001ppm。
詳細(xì)介紹：
針對目前一氧化碳（CO）電化學(xué)傳感器催化劑易中毒、靈敏度不高、壽命短的問題，本設(shè)計(jì)將電化學(xué)、納米科學(xué)和環(huán)境中有害氣體的檢測相結(jié)合，制備了一種新型的、基于納米鉑-鎳/聚苯胺/納米碳管復(fù)合膜修飾電極的一氧化碳電化學(xué)傳感器。 本傳感器的特點(diǎn)包括： 1、實(shí)現(xiàn)了電化學(xué)法制備納米鉑-鎳催化劑，所得納米粒子粒徑小、分散均勻且純度高，具有優(yōu)良的電催化性能。 2、采用電化學(xué)方法制備了納米鉑-鎳/聚苯胺/納米碳管復(fù)合膜修飾電極，該電極具有優(yōu)良的抗污染功能，有效地避免了傳感器的催化劑中毒問題，從而延長了傳感器的使用壽命。 3、創(chuàng)新性地采用室溫離子液體作為傳感器的電解質(zhì)，與傳統(tǒng)的酸溶液電解質(zhì)相比，避免了由于電解質(zhì)揮發(fā)而導(dǎo)致傳感器性能衰降的問題。 4、本傳感器對一氧化碳的檢測限達(dá)到0.001 ppm，檢出信號與一氧化碳濃度在1～100 ppm 范圍內(nèi)呈現(xiàn)優(yōu)良的線性關(guān)系。目前所售一氧化碳傳感器的檢測限普遍為 1 ppm，與此相比，本傳感器具有更低的檢測限。 本CO電化學(xué)氣體傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，可用于化工、采礦、軍事等行業(yè)的安全檢測、環(huán)保監(jiān)測、生產(chǎn)過程控制等。這種電化學(xué)氣體傳感器體積小、檢測速度快、準(zhǔn)確、便于攜帶、可現(xiàn)場直接檢測和連續(xù)檢測等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)于過去在以上行業(yè)占主導(dǎo)地位的光學(xué)和光譜等氣體檢測方法。它對于改善人類的生活環(huán)境，保障人們身心健康有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

作品圖片

  • 納米碳管接枝納米過渡金屬制備一氧化碳傳感器
  • 納米碳管接枝納米過渡金屬制備一氧化碳傳感器
  • 納米碳管接枝納米過渡金屬制備一氧化碳傳感器
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作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

目的：制備具有優(yōu)良抗污染能力、高靈敏度和穩(wěn)定性的便攜式CO電化學(xué)傳感器，并用于制作便攜式CO檢測報(bào)警儀。應(yīng)用于煤礦井下、冶金化工、市政檢測、管道輸氣和家用等領(lǐng)域。 基本思路：將納米技術(shù)、電化學(xué)與環(huán)境有害氣體監(jiān)測相結(jié)合，采用電化學(xué)法制備了納米復(fù)合材料，研究該材料對CO的敏感性和作用機(jī)理，并制作基于該材料的CO傳感器。 創(chuàng)新點(diǎn)：1、采用電化學(xué)方法，首次成功制備了粒徑均勻、有序分散的納米鉑-鎳/聚苯胺/納米碳管復(fù)合催化劑。2、在納米鉑中參雜一定量的納米鎳，有效抑制了CO對催化劑的毒化，該復(fù)合催化劑修飾電極對CO的檢測靈敏度達(dá)到0.001ppm。3、以石墨基體代替?zhèn)鹘y(tǒng)的貴金屬電極，制作成本降低了30%。4、創(chuàng)新性地以室溫離子液體作為CO傳感器的電解液，解決了傳感器電解液的揮發(fā)問題。5、自行設(shè)計(jì)制作的氣體傳感器，體積小，便于攜帶，響應(yīng)速度快。 技術(shù)關(guān)鍵：制備對CO具有優(yōu)良敏感特性和抗污染功能的納米復(fù)合膜修飾電極。 主要技術(shù)指標(biāo)： 1、靈 敏 度：0.001ppm； 2、檢測范圍：1-500ppm； 3、使用壽命：1-3年； 4、使用溫度：5-60攝氏度； 5、尺 寸：高41mm，直徑35mm。

科學(xué)性、先進(jìn)性

作品的科學(xué)性： 1、采用科學(xué)的理論作為指導(dǎo)。首先納米碳尺寸小、比表面積大、化學(xué)-熱-機(jī)械穩(wěn)定性高，具有特殊的空心結(jié)構(gòu)，是一種優(yōu)良的金屬催化劑載體；過渡金屬元素由于其原子具有空的電子軌道，是優(yōu)良的電子媒介體；制備納米過渡金屬/納米碳管復(fù)合催化劑符合無機(jī)化學(xué)基本原理。第二，制作的CO電化學(xué)傳感器的輸出信號與CO濃度成線性關(guān)系，符合電分析化學(xué)原理。 2、采用科學(xué)的方法進(jìn)行試驗(yàn)。所制備的復(fù)合催化劑通過掃描電子顯微鏡、X-射線光電子能譜、X-射線衍射等方法進(jìn)行表征，并采用電化學(xué)手段研究CO在催化劑修飾電極上的電化學(xué)行為。 先進(jìn)性：通過科技查新，結(jié)果表明采用電化學(xué)法制備有序分散的納米鉑、鎳等過渡金屬催化劑及基于該催化劑的CO傳感器，在國內(nèi)還尚未見到文獻(xiàn)報(bào)道。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

2009年6月，第三屆“挑戰(zhàn)杯”合鍛集團(tuán)安徽省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽，獲特等獎(jiǎng)。 2009年3月，以本傳感器為核心組件制作的JPL-X1型便攜式CO檢測報(bào)警儀，通過安徽省電子產(chǎn)品監(jiān)督檢驗(yàn)所的鑒定，外觀、報(bào)警點(diǎn)設(shè)置、靈敏度、準(zhǔn)確度及分辨率經(jīng)檢驗(yàn)合格。

作品所處階段

中試階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

無

作品可展示的形式

實(shí)物、產(chǎn)品、現(xiàn)場演示、圖片、樣品

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測

技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢：目前已掌握了成熟的電合成納米過渡金屬/納米碳管復(fù)合催化劑技術(shù)，該方法用于制備納米材料操作簡單、成本低，且材料純度高、可控性強(qiáng)。傳感器以石墨電極為基體，取代了貴金屬工作電極，降低成本達(dá)30%；傳感器以不揮發(fā)的離子液體為檢測體系、催化劑可更換，壽命可比目前所售傳感器長1-2年。 市場前景：本作品造價(jià)低、使用壽命長、操作簡單以及靈敏度高，具有廣泛的應(yīng)用前景和可觀的經(jīng)濟(jì)效益。可用于廠礦、管道輸氣、家庭煤氣、石油液化氣中一氧化碳泄露的檢測和報(bào)警，具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

同類課題研究水平概述

一氧化碳(CO)是一種有毒有害的氣體，它給工業(yè)安全生產(chǎn)帶來巨大危害，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地測出環(huán)境中CO氣體的濃度，對保障煤礦工業(yè)安全生產(chǎn)、提高人們生活質(zhì)量具有十分重要的意義。 近年來國外有不少關(guān)于CO傳感器的文獻(xiàn)報(bào)道，日、美等國在這方面發(fā)展較迅速。在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用最廣、綜合指標(biāo)最好的氣體檢測方法是電化學(xué)方法。目前電化學(xué)CO傳感器主要采用定電位電解式原理，它是上世紀(jì)70年代中期，美國Enterqertics Science公司發(fā)明的。這類產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)商品化的有英國Sixth Sense公司的ECO-Sure傳感器、日本理研計(jì)器株式會社研制的CO檢測儀和瑞士Membrapor的CO電化學(xué)傳感器，但進(jìn)口產(chǎn)品普遍價(jià)格高昂，檢測限通常為1ppm，使用壽命在1-2年。 傳感器的催化劑中毒是導(dǎo)致傳感器壽命不長的主要原因。所以，要延長CO傳感器的壽命和提高靈敏度，關(guān)鍵是制備對CO具有抗污染功能的工作電極催化劑材料。國外學(xué)者研究的焦點(diǎn)集中在合成貴金屬催化劑上。如Dayse等研究了CO在多晶Pt電極上的氧化機(jī)理；Sathe等采用電沉積法制備了納米Pt修飾的玻碳電極，作為CO氣體傳感器的工作電極。研究發(fā)現(xiàn)，單一的納米Pt催化劑，雖然對CO氧化具有較好的催化作用，但容易被毒化，縮短了催化劑的壽命。 我國從80年代，先后在長春應(yīng)用化學(xué)研究所和北京化工大學(xué)等科研院所開展了電化學(xué)CO氣體傳感器的研究與應(yīng)用工作。1999年中科院長春應(yīng)化所承擔(dān)了“電化學(xué)氣體傳感器關(guān)鍵技術(shù)研究”課題，開始了對此項(xiàng)技術(shù)的攻關(guān)。到2006年他們已成功地對SO2、NO、NO2、H2S和偏二甲肼氣體傳感器的工藝進(jìn)行研究與定型，打破了國外電化學(xué)氣體傳感器的技術(shù)壟斷，但仍未形成大批量生產(chǎn)規(guī)模。 基于上述介紹，國外商品化的CO電化學(xué)傳感器，普遍存在價(jià)格高昂、壽命較短的不足，對于如何延長催化劑的使用壽命與防止催化劑中毒的研究仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。我國在此項(xiàng)研究上起步較晚，仍有很大的研究和發(fā)展空間。本作品將電化學(xué)、納米技術(shù)與環(huán)境有害氣體的監(jiān)測相結(jié)合，設(shè)計(jì)制作出一種新型的CO電化學(xué)傳感器，成功解決了傳感器的催化劑中毒、電解液揮發(fā)和性能衰降等關(guān)鍵技術(shù)難題，具有靈敏度高、檢測限低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。它對國內(nèi)CO電化學(xué)傳感器的研究有一定的理論貢獻(xiàn)，也具有廣闊的應(yīng)用前景。
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