基本信息
- 项目名称：
- 纳米碳管接枝纳米过渡金属制备一氧化碳传感器
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 研究制备了基于纳米铂-镍/聚苯胺/纳米碳管复合催化剂的一氧化碳电化学传感器，成功解决了催化剂中毒和电解液挥发的关键问题；对一氧化碳检测的灵敏度可达到0.001ppm。
- 详细介绍：
- 针对目前一氧化碳（CO）电化学传感器催化剂易中毒、灵敏度不高、寿命短的问题，本设计将电化学、纳米科学和环境中有害气体的检测相结合，制备了一种新型的、基于纳米铂-镍/聚苯胺/纳米碳管复合膜修饰电极的一氧化碳电化学传感器。 本传感器的特点包括： 1、实现了电化学法制备纳米铂-镍催化剂，所得纳米粒子粒径小、分散均匀且纯度高，具有优良的电催化性能。 2、采用电化学方法制备了纳米铂-镍/聚苯胺/纳米碳管复合膜修饰电极，该电极具有优良的抗污染功能，有效地避免了传感器的催化剂中毒问题，从而延长了传感器的使用寿命。 3、创新性地采用室温离子液体作为传感器的电解质，与传统的酸溶液电解质相比，避免了由于电解质挥发而导致传感器性能衰降的问题。 4、本传感器对一氧化碳的检测限达到0.001 ppm，检出信号与一氧化碳浓度在1～100 ppm 范围内呈现优良的线性关系。目前所售一氧化碳传感器的检测限普遍为 1 ppm，与此相比，本传感器具有更低的检测限。 本CO电化学气体传感器的应用领域很广，可用于化工、采矿、军事等行业的安全检测、环保监测、生产过程控制等。这种电化学气体传感器体积小、检测速度快、准确、便于携带、可现场直接检测和连续检测等独特优点，优于过去在以上行业占主导地位的光学和光谱等气体检测方法。它对于改善人类的生活环境，保障人们身心健康有着重要的现实意义。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：制备具有优良抗污染能力、高灵敏度和稳定性的便携式CO电化学传感器，并用于制作便携式CO检测报警仪。应用于煤矿井下、冶金化工、市政检测、管道输气和家用等领域。 基本思路：将纳米技术、电化学与环境有害气体监测相结合，采用电化学法制备了纳米复合材料，研究该材料对CO的敏感性和作用机理，并制作基于该材料的CO传感器。 创新点：1、采用电化学方法，首次成功制备了粒径均匀、有序分散的纳米铂-镍/聚苯胺/纳米碳管复合催化剂。2、在纳米铂中参杂一定量的纳米镍，有效抑制了CO对催化剂的毒化，该复合催化剂修饰电极对CO的检测灵敏度达到0.001ppm。3、以石墨基体代替传统的贵金属电极，制作成本降低了30%。4、创新性地以室温离子液体作为CO传感器的电解液，解决了传感器电解液的挥发问题。5、自行设计制作的气体传感器，体积小，便于携带，响应速度快。 技术关键：制备对CO具有优良敏感特性和抗污染功能的纳米复合膜修饰电极。 主要技术指标： 1、灵 敏 度：0.001ppm； 2、检测范围：1-500ppm； 3、使用寿命：1-3年； 4、使用温度：5-60摄氏度； 5、尺 寸：高41mm，直径35mm。
科学性、先进性
- 作品的科学性： 1、采用科学的理论作为指导。首先纳米碳尺寸小、比表面积大、化学-热-机械稳定性高，具有特殊的空心结构，是一种优良的金属催化剂载体；过渡金属元素由于其原子具有空的电子轨道，是优良的电子媒介体；制备纳米过渡金属/纳米碳管复合催化剂符合无机化学基本原理。第二，制作的CO电化学传感器的输出信号与CO浓度成线性关系，符合电分析化学原理。 2、采用科学的方法进行试验。所制备的复合催化剂通过扫描电子显微镜、X-射线光电子能谱、X-射线衍射等方法进行表征，并采用电化学手段研究CO在催化剂修饰电极上的电化学行为。 先进性：通过科技查新，结果表明采用电化学法制备有序分散的纳米铂、镍等过渡金属催化剂及基于该催化剂的CO传感器，在国内还尚未见到文献报道。
获奖情况及鉴定结果
- 2009年6月，第三届“挑战杯”合锻集团安徽省大学生课外学术科技作品竞赛，获特等奖。 2009年3月，以本传感器为核心组件制作的JPL-X1型便携式CO检测报警仪，通过安徽省电子产品监督检验所的鉴定，外观、报警点设置、灵敏度、准确度及分辨率经检验合格。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品、现场演示、图片、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点与优势：目前已掌握了成熟的电合成纳米过渡金属/纳米碳管复合催化剂技术，该方法用于制备纳米材料操作简单、成本低，且材料纯度高、可控性强。传感器以石墨电极为基体，取代了贵金属工作电极，降低成本达30%；传感器以不挥发的离子液体为检测体系、催化剂可更换，寿命可比目前所售传感器长1-2年。 市场前景：本作品造价低、使用寿命长、操作简单以及灵敏度高，具有广泛的应用前景和可观的经济效益。可用于厂矿、管道输气、家庭煤气、石油液化气中一氧化碳泄露的检测和报警，具有很强的实际应用价值。
同类课题研究水平概述
- 一氧化碳(CO)是一种有毒有害的气体，它给工业安全生产带来巨大危害，实时、准确地测出环境中CO气体的浓度，对保障煤矿工业安全生产、提高人们生活质量具有十分重要的意义。 近年来国外有不少关于CO传感器的文献报道，日、美等国在这方面发展较迅速。在工业现场应用最广、综合指标最好的气体检测方法是电化学方法。目前电化学CO传感器主要采用定电位电解式原理，它是上世纪70年代中期，美国Enterqertics Science公司发明的。这类产品已实现商品化的有英国Sixth Sense公司的ECO-Sure传感器、日本理研计器株式会社研制的CO检测仪和瑞士Membrapor的CO电化学传感器，但进口产品普遍价格高昂，检测限通常为1ppm，使用寿命在1-2年。 传感器的催化剂中毒是导致传感器寿命不长的主要原因。所以，要延长CO传感器的寿命和提高灵敏度，关键是制备对CO具有抗污染功能的工作电极催化剂材料。国外学者研究的焦点集中在合成贵金属催化剂上。如Dayse等研究了CO在多晶Pt电极上的氧化机理；Sathe等采用电沉积法制备了纳米Pt修饰的玻碳电极，作为CO气体传感器的工作电极。研究发现，单一的纳米Pt催化剂，虽然对CO氧化具有较好的催化作用，但容易被毒化，缩短了催化剂的寿命。 我国从80年代，先后在长春应用化学研究所和北京化工大学等科研院所开展了电化学CO气体传感器的研究与应用工作。1999年中科院长春应化所承担了“电化学气体传感器关键技术研究”课题，开始了对此项技术的攻关。到2006年他们已成功地对SO2、NO、NO2、H2S和偏二甲肼气体传感器的工艺进行研究与定型，打破了国外电化学气体传感器的技术垄断，但仍未形成大批量生产规模。 基于上述介绍，国外商品化的CO电化学传感器，普遍存在价格高昂、寿命较短的不足，对于如何延长催化剂的使用寿命与防止催化剂中毒的研究仍处于实验室研究阶段。我国在此项研究上起步较晚，仍有很大的研究和发展空间。本作品将电化学、纳米技术与环境有害气体的监测相结合，设计制作出一种新型的CO电化学传感器，成功解决了传感器的催化剂中毒、电解液挥发和性能衰降等关键技术难题，具有灵敏度高、检测限低、性能稳定等优点。它对国内CO电化学传感器的研究有一定的理论贡献，也具有广阔的应用前景。
