大氣中大約90%的NH3產(chǎn)生于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)（即牲畜飼養(yǎng)和飼養(yǎng)、化肥生產(chǎn)和糞便儲(chǔ)存等）。許多類型的NH3傳感器已被開(kāi)發(fā)用于監(jiān)測(cè)和檢測(cè)NH3。本文重點(diǎn)介紹如何使用納米材料檢測(cè)農(nóng)業(yè)中的NH3。
氨：一種有毒氣體
氨是一種堿性化合物，當(dāng)它被釋放到空氣中時(shí)，會(huì)迅速吸附到表面，并且可以傳播到幾百米到數(shù)百英里的距離。NH3也會(huì)轉(zhuǎn)化為氣溶膠顆粒并具有明顯的氣味，在家禽、豬或牛密集的農(nóng)村環(huán)境中很常見(jiàn)。
NH3是一種具有明顯氣味的無(wú)色氣體，即使在低濃度下也是如此。這種氣體通常在有機(jī)材料和動(dòng)物糞便分解后釋放。在農(nóng)業(yè)工業(yè)中，NH3用于制造氮基肥料，例如硝酸銨、尿素、硫酸銨、尿素-硝酸銨和磷酸二銨。
因?yàn)樗鼘?duì)人體有毒，美國(guó)環(huán)境保護(hù)署已將NH3視為有害物質(zhì)。對(duì)人類安全的最大長(zhǎng)期（8小時(shí)）和短期（15分鐘）氨暴露量分別為25ppm和35ppm。
農(nóng)業(yè)中對(duì)氨氣檢測(cè)的需求
為了開(kāi)發(fā)更好的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，重要的是要確定導(dǎo)致NH3排放的來(lái)源，特別是排放的時(shí)間和水平。大多數(shù)NH3傳感器價(jià)格昂貴且難以在實(shí)際環(huán)境中應(yīng)用。這些設(shè)備的復(fù)雜操作給非專業(yè)從業(yè)者帶來(lái)了額外的困難。
由于濕度、溫度和干擾氣體的變化，農(nóng)業(yè)環(huán)境非常復(fù)雜，因此需要穩(wěn)定、靈敏、可靠的氣體傳感器。通常，NH3傳感器基于聚合物、金屬氧化物半導(dǎo)體 (MOS) 和納米材料及其復(fù)合材料。盡管許多NH3傳感器在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中表現(xiàn)出高靈敏度和準(zhǔn)確性，但它們?cè)趯?shí)際現(xiàn)場(chǎng)條件下表現(xiàn)不佳。
納米材料改善傳感器中的氨傳感特性
采用石墨烯、單壁碳納米管 (SWCNTs)、多壁碳納米管 (MWCNTs)、石墨烯納米帶和還原氧化石墨烯來(lái)改善基于聚苯胺 (PANI)的 NH3傳感器的氣敏特性。由于聚苯胺和羧化碳納米管之間的氫鍵，將SWCNTs并入聚苯胺有助于形成結(jié)構(gòu)。這增強(qiáng)了NH3和SWCNTs–OH/PANI復(fù)合材料之間的相互作用。帶有羧基功能化的單壁碳納米管用于氨檢測(cè)。
盡管MWCNTs很少用于檢測(cè)NH3，但研究發(fā)現(xiàn)，包含MWCNTs、聚苯胺和金屬氧化物（例如氧化鋁和氧化鈦）的納米復(fù)合材料可顯著改善對(duì)氨的傳感行為。除了碳納米管，碳納米纖維（CNFs）也被用于檢測(cè)NH3。值得注意的是，CNFs的孔隙率明顯高于MWCNTs，這提升了它們的傳感特性。使用Langmuir-Blodgett方法，在二氧化硅/二氧化硅襯底上的間甲苯甲酸功能化氧化石墨烯可以檢測(cè)農(nóng)田中的氨。
由于周圍空氣中存在氧化干擾氣體（O3和NO2）且濕度水平升高，大多數(shù)實(shí)際環(huán)境（例如菜地）中的傳感器無(wú)法正常工作。這些缺點(diǎn)被催化轉(zhuǎn)化法（CCM）克服，使用鉑 (Pt) 納米顆粒催化劑將NH3轉(zhuǎn)化為二氧化氮(NO2)，并通過(guò)高性能NO2傳感器檢測(cè)該氣體。
基于差分催化轉(zhuǎn)化法(DCCM)開(kāi)發(fā)了一種便攜式、低成本、穩(wěn)定且靈敏的NH3監(jiān)測(cè)器。該裝置可有效監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)部門的氨氣揮發(fā)，消除環(huán)境干擾。該傳感器的關(guān)鍵傳感材料是氧化銦 (III) 納米粒子和氧化鎢 (WO3) 納米片。
用于檢測(cè)氨氣的不同類型的基于納米材料的傳感器
電化學(xué)傳感器
電化學(xué)傳感器檢測(cè)由于還原吸附到不同材料中而引起的電信號(hào)變化。在農(nóng)業(yè)中，化學(xué)電阻材料通常用于根據(jù)傳感元件和氧化還原氣體之間的電荷轉(zhuǎn)移來(lái)檢測(cè)還原性或氧化性氣體。
很多時(shí)候，這些探測(cè)器是使用金屬納米材料和導(dǎo)電聚合物開(kāi)發(fā)的。聚苯胺納米復(fù)合材料的應(yīng)用，即聚苯胺與碳納米管、石墨烯等碳納米材料的偶聯(lián)，已經(jīng)產(chǎn)生了穩(wěn)定、靈敏、可靠的NH3傳感材料。
基于光譜的傳感器
基于光譜的傳感器穩(wěn)定性高，抗電磁噪聲能力強(qiáng)，運(yùn)行能耗低?；谖舛群捅壬ǖ膫鞲衅骱艹Ｒ?jiàn)，用于測(cè)量NH3衍生化合物。基于吸光度的傳感器最適合大面積連續(xù)監(jiān)測(cè)。
對(duì)于光譜分析，可提供具有不同測(cè)量范圍的試管。盡管0.25和30ppm之間的范圍適合NH3的室內(nèi)檢測(cè)，但它不足以進(jìn)行室外分析。為了克服這個(gè)問(wèn)題，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了基于納米的薄膜采樣器。例如，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種薄的摻雜染料的納米結(jié)構(gòu)聚吡咯薄膜，這表明在光吸收中存在NH3。
基于熒光的傳感器
熒光不常用于測(cè)量農(nóng)業(yè)環(huán)境中的空氣質(zhì)量，因?yàn)楹苌儆邢嚓P(guān)化合物會(huì)發(fā)出熒光。對(duì)于基于熒光的傳感，最近人們?cè)絹?lái)越關(guān)注用碳基光致發(fā)光納米材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有機(jī)染料。
這類傳感器在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的主要優(yōu)勢(shì)是靈敏度高、成本低、便攜性好、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。據(jù)觀察，光致發(fā)光碳點(diǎn)在低毒性、可負(fù)擔(dān)性和高生物相容性方面優(yōu)于以前使用的半導(dǎo)體納米材料。熒光 CD 已經(jīng)能夠從固體和液體農(nóng)業(yè)樣品中測(cè)定NH3。在這種情況下，同時(shí)進(jìn)行NH3的提取和熒光標(biāo)記，然后進(jìn)行熒光測(cè)量。
文章來(lái)源：AZO NANO
