随着全球能源需求的增长和环境问题的加剧,开发新型高性能气体传感器变得尤为迫切。生物质炭材料因其独特的孔隙结构、大的比表面积、丰富的表面活性官能团和活性位点,在气体传感检测领域表现出了巨大的应用潜力。
本文按照生物质炭的主要来源对生物质进行了分类(植物基、动物基和微生物基)以及四种生物质炭材料的常见制备方法(水热炭化法、活化法、模板法和微波热解法)。重点讨论了生物质炭材料在半导体型气体传感器和非金属氧化物主导型气体传感器中的应用,以及它们作为气敏材料在检测各类气体方面的应用。
不同来源的生物质原料在炭材料制备中各有特点,在需要高比表面积和高孔隙率的应用中,可以选择植物基原料。在需要特定化学功能性或生物相容性的应用中,可选择动物基原料用来提供丰富的杂原子掺杂。对于寻求高可持续性和高可获得性的能源存储和转换应用,微生物基原料提供了一种有前景的解决方案;不同的制备方法在生物质炭材料制备方面各有优劣。水热炭化法适用于制备高比表面积和多孔结构的材料,但其制备过程相对较慢。活化法可以控制生物质炭材料的孔结构增加其比表面积,但反应需要在高温和高压条件下进行,活化剂可能对环境造成影响。使用模板法可制备具有特定形状和结构的生物质炭材料,但制备过程较复杂,且模板的去除需要使用化学试剂或高温处理,可能会影响材料的结构和性能。微波热解法可以控制材料的形貌和结构,但可能引起局部过热现象导致炭材料结构不均;在半导体型传感器方面,生物质炭材料因其良好的导电性与气敏特性,被广泛应用于各类有毒有害气体(如NO、NO₂、H₂S、VOCs等)的检测中,展现出了高灵敏度、快速响应及良好选择性等优点。而在非金属氧化物主导型传感器领域,生物质炭作为修饰材料,通过调控界面反应与电荷转移过程,显著提升了传感器的检测性能与稳定性。
生物质炭材料的可再生性和环境友好性使其成为理想的传感器材料,但其较高的工作温度常常限制了这种类型传感器的使用。可通过与纳米技术、薄膜技术结合研发出同时检测多种气体的新型气体传感器。具有发展潜力的气敏用生物质材料有生物质衍生的碳纳米管、石墨烯和富勒烯,通过与这些生物质炭复合,可以充分发挥其优异的导电性能,有效克服非导电成分带来的不利影响。
随着全球能源需求的增长和环境问题的加剧,开发新型高性能气体传感器变得尤为迫切。生物质炭材料是由生物质原料经过预碳化和活化处理获得,具有独特的孔隙结构、大的比表面积、丰富的表面活性官能团和活性位点,在气体传感检测领域具有巨大的应用潜力。本文按照生物质炭的主要来源对生物质进行了分类(植物基、动物基和微生物基)以及四种生物质炭材料的常见制备方法(水热炭化法、活化法、模板法和微波热解法)。本文重点讨论了生物质炭材料在半导体型气体传感器和非金属氧化物主导型气体传感器的最新研究进展,包括作为气敏材料在检测各类气体方面的应用。最后,分析了生物质炭材料基气体传感器目前需要解决的问题,为拓宽该类传感器的实际应用提出了研发的思路。