一种高响应灵敏度SnO2气敏材料及制备工艺和应用的制作方法

一种高响应灵敏度sno2气敏材料及制备工艺和应用
技术领域
[0001]
本发明涉及纳米材料技术领域，具体为一种高响应灵敏度sno2气敏材料及制备工艺和应用。


背景技术：

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纳米半导体传感器研究近年来备受国内外研究者关注。各类气体传感器的创新性研究集中体现在工业排放控制、家庭安全(室内空气质量监测)、环境监测、卫生保健(疾病诊断及人体呼出气体成份的微量分析)等方面。现有诸多气体敏感材料的研究报道针对乙醇(ch3ch2oh)、丙酮(ch3coch3)等挥发性有机化合物(vocs)探测进行。vocs广泛存在于染料、药物及建筑装修材料等各个方面，对人体有刺激性和毒性，轻则引起免疫失调，影响中枢神经系统功能，重则损伤肝脏和造血系统，导致肺病甚至肺癌。例如乙醇，除作为工业领域及实验室中最常见的易燃易爆危险品试剂外，也是交通领域判定酒驾时所监测的最重要呼气分析物目标。乙醇敏感监测具有重要现实意义。
[0003]
目前，传统二氧化锡(sno2)半导体纳米材料制备成本低廉，sno2传感器对多种vocs具有良好的响应灵敏度特性，但突出缺陷在于工作温度高(二百多到三百多摄氏度)、功耗大，尤其是对各种vocs具有较强的交叉选择性，上述瓶颈问题严重限制了sno2传感器作vocs探测的市场化应用能力。
[0004]
因此提出一种高响应灵敏度sno2气敏材料及制备工艺以解决上述问题。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于提供一种高响应灵敏度sno2气敏材料及制备工艺和应用，以解决上述背景技术中提出问题。
[0006]
为实现上述目的，本发明提供了高响应灵敏度sno2气敏材料的制备方法，具体包括以下步骤：
[0007]
s1：碳球模板的制备：在35℃下，将3.2g葡萄糖和35ml去离子水放入反应器中充分溶解，向反应器中加入naoh溶液并调节ph为10，得到混合液，将混合液转移到50ml聚四氟乙烯衬里高压釜中，在180℃下反应10小时，随后，洗涤、收集沉淀并烘干，得到碳球模板；；
[0008]
s2：高压静电纺丝的前驱体液制备：取0.32g pvp溶于2ml乙醇中，得到溶液a，取0.73g sncl2·
2h2o和0.036g pr(no3)3·
6h2o完全溶解在2.6ml的dmf中，得到溶液b，将溶液a和溶液b放入磁力搅拌器搅拌3h，随后将步骤s1中制得的0.08g碳球加入磁力搅拌器中缓慢搅拌1h，得到高压静电纺丝的前驱体液；
[0009]
s3：高响应灵敏度sno2气敏材料制备：将步骤s2中的高压静电纺丝的前驱体液转移到玻璃注射器中，经高压静电纺丝，收集得到纺丝初产物，再将纺丝初产物置于管式炉中高温煅烧，得到高响应灵敏度sno2气敏材料。
[0010]
优选的，所述步骤s1中，naoh溶液的质量分数为5％。
[0011]
优选的，所述步骤s1中，沉淀在烘箱中于80℃干燥12小时。
[0012]
优选的，所述步骤s2中，控制磁力搅拌器内的温度为30℃。
[0013]
优选的，所述步骤s3中，管式炉的温度为600℃，煅烧时间为4h。
[0014]
本发明还提供了高响应灵敏度sno2气敏材料在制作sno2基传感器中的应用。
[0015]
本发明的有益效果是：
[0016]
本发明通过纳米材料微结构及电子传输性能调控，致力于大幅提升sno2基传感器对乙醇探测的灵敏度，重点解决vocs探测的交叉选择性问题，同时兼顾在一定程度上降低传感器的工作温度。具体来说，通过引入功能化的可牺牲碳球(c)模板，结合具有催化反应活性的镨离子(pr
3+
，pr
4+
)，经优化高压静电纺丝工艺参数，获得了具有丰富微孔、大比表面的独特串珠状sno2基空心纤维结构，该独创性技术制备的具有独特微结构特征的sno2基空心纤维半导体材料在低浓度乙醇的高灵敏度探测上具有显著性能优势；
[0017]
本发明技术合成的高响应灵敏度sno2气敏材料，经制备传感器并做静态气敏测试，显示出对低浓度乙醇的优秀响应特性：(1)探测浓度低至5ppm；(2)工作温度为200℃；(3)对100ppm乙醇响应值高达35.6，响应及恢复时间分别为12s、8s，解决了与甲醇(ch3oh)、甲醛(hcho)、丙酮(ch3coch3)、乙酸(ch3cooh)及氨(nh3)等vocs的交叉响应问题。
附图说明
[0018]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]
图1为本发明实施例1中高响应灵敏度sno2气敏材料的xrd及edx谱图；
[0020]
图2为本发明实施例1中高响应灵敏度sno2气敏材料的sem形貌图；
[0021]
图3为本发明实施例1中高响应灵敏度sno2气敏材料的tem形貌图及元素mapping；
[0022]
图4为本发明实施例1中高响应灵敏度sno2基传感器数码照片；
[0023]
图5为本发明sno2基传感器的气敏测试结果图；
[0024]
图6为本发明sno2基传感器的响应和恢复时间曲线图。
具体实施方式
[0025]
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0026]
实施例1
[0027]
一种高响应灵敏度sno2气敏材料及制备工艺，包括以下步骤：
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s1：碳球模板的制备：在35℃下，将3.2g葡萄糖和35ml去离子水放入反应器中充分溶解，向反应器中加入质量分数为5％naoh溶液并调节ph为10，得到混合液，将混合液转移到50ml聚四氟乙烯衬里高压釜中，在180℃下反应10小时，随后，洗涤、收集沉淀并放入烘箱中于80℃干燥12小时，得到碳球模板；
[0029]
s2：高压静电纺丝的前驱体液制备：取0.32g pvp溶于2ml乙醇中，得到溶液a，取
0.73g sncl2·
2h2o和0.036g pr(no3)3·
6h2o完全溶解在2.6ml的dmf中，得到溶液b，将溶液a和溶液b放入磁力搅拌器搅拌3h，保持磁力搅拌器内的温度为30℃，随后将步骤s1中制得的0.08g碳球加入磁力搅拌器中缓慢搅拌1h，得到高压静电纺丝的前驱体液；
[0030]
s3：高响应灵敏度sno2气敏材料制备：将步骤s2中的高压静电纺丝的前驱体液转移到玻璃注射器中，经高压静电纺丝，收集得到纺丝初产物，再将纺丝初产物置于管式炉中在600℃煅烧4h，得到高响应灵敏度sno2气敏材料。
[0031]
上述高响应灵敏度sno2气敏材料在制作sno2基传感器中的应用：将上述高响应灵敏度sno2气敏材料经研磨后与去离子水混合成浆状物，涂覆在传感器陶瓷基底，得到高响应灵敏度sno2基传感器。
[0032]
本实施例中使用的所有化学药品及试剂都是分析纯级，没有再经任何进一步的纯化处理。
[0033]
实施例2
[0034]
与实施例1在相同条件下制备了纳米级的纯sno2样品(含碳球模板)，并通过实施例1中的方法得到sno2基传感器(含碳球模板)。
[0035]
实施例3
[0036]
与实施例1在相同条件下制备了纳米级的纯sno2样品(无碳球模板)，并通过实施例1中的方法得到sno2基传感器(无碳球模板)。
[0037]
本发明中图1可得：高响应灵敏度sno2气敏材料主要成分是pr掺杂sno2。
[0038]
本发明中图2可得：高响应灵敏度sno2气敏材料为表面粗糙的串珠状空心纤维结构。
[0039]
本发明中图3可得：高响应灵敏度sno2气敏材料的纤维元素成分及微结构细节特征被充分证实。
[0040]
本发明图5中：
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(a)高响应灵敏度sno2基传感器、sno2基传感器(含碳球模板)和sno2基传感器(无碳球模板)在不同工作温度下对100ppm乙醇的响应；
[0042]
(b)高响应灵敏度sno2基传感器、sno2基传感器(含碳球模板)和sno2基传感器(无碳球模板)在最佳工作温度下对各种试验气体的响应；
[0043]
(c)高响应灵敏度sno2基传感器、sno2基传感器(含碳球模板)和sno2基传感器(无碳球模板)对100ppm乙醇的单循环响应恢复特性曲线；
[0044]
(d)高响应灵敏度sno2基传感器对5-1000ppm乙醇的响应曲线；
[0045]
(e)高响应灵敏度sno2基传感器、sno2基传感器(含碳球模板)和sno2基传感器(无碳球模板)对不同浓度乙醇(5-1500ppm)的响应；
[0046]
(f)高响应灵敏度sno2基传感器、sno2基传感器(含碳球模板)和sno2基传感器(无碳球模板)对100ppm乙醇的长期稳定性。
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本发明图6中：
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(a)sno2基传感器(无碳球模板)的响应和恢复时间曲线；
[0049]
(b)sno2基传感器(含碳球模板)的响应和恢复时间曲线；
[0050]
(c)高响应灵敏度sno2基传感器的响应和恢复时间曲线。
[0051]
综上所述，由图5的气敏测试结果显然体现出，高响应灵敏度sno2基传感器的工作
温度为200℃，探测浓度低至5ppm，对100ppm乙醇响应值高达35.6，明显突出于该传感器对甲醇(ch3oh)、甲醛(hcho)、丙酮(ch3coch3)、乙酸(ch3cooh)及氨(nh3)等其它常见vocs的响应，由此解决了乙醇探测的交叉响应问题，该传感器在空气中放置两个月，仍保持了其良好的气敏响应值特性，体现出其很好的实际市场应用潜力；
[0052]
由图6可以得出：高响应灵敏度sno2基传感器相较于sno2基传感器(含碳球模板)、sno2基传感器(无碳球模板)而言性能更加优越，高响应灵敏度sno2基传感器的响应及恢复时间均大幅减小，分别低至12s和8s。
[0053]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0054]
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该一种高强度制动钳密封件的制备方法仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。