一种In2O3复合材料制备及应用于甲醛气体传感器方法

一种in2o3复合材料制备及应用于甲醛气体传感器方法
技术领域
1.本发明涉及一种气敏材料及其应用于气体传感器方法，特别是涉及一种in2o3复合材料制备及应用于甲醛气体传感器方法。


背景技术：

2.甲醛(hcho)是一种带有辛辣刺激性气味的无色气体，易容易水。目前，甲醛被世界卫生组织确定为致癌物质和致畸形物质。从大量的文献记载和临床研究可以看出，甲醛对人体的危害性主要表现在:对人体造成刺激感，引起部分人群的过敏反应，导致人体的嗅觉异常、肺功能异常、肝功能异常以及免疫系统异常等。甲醛对人体的危害程度同室内空气中田醛的含量有着直接关系，甲醛的含量越大，对人体的危害性也就越大。现代科学研究表明，当室内空气中的甲醛含量达到 0.1mg/m3时，人们就会感觉到有异味，严重的会有不适感:当甲醛含量达到 0.5mg/m3时，会对人的眼睛有刺激性，引起流泪等症状:当甲醛含量达到 0.6mg/m3，人们会感觉咽喉不适或咽喉疼痛:如果甲醛的浓度继续增加，人们詈身其中就会感觉到恶心严重的会出现呕吐、咳嗽、胸闷、气喘等症状，甚至会出现肺水肿:而一旦室内甲醛的含量达到 30mg/m3，就会立即致人死亡。并且儿童和老人的体质和免疼能力都是比较弱的，所以在同样甲醛浓度的室内环境中，儿童和老人身体的不良反应会更加严重。
3.甲醛是一种良好的溶剂，具有较强的粘合性，同时还可加强板材的硬度和防虫、防腐能力，所以用来合成多种粘合剂，如脲醛树脂、酚醛树脂和三聚氟胺甲醛树脂等。这些树脂作为成熟、优质目廉价的粘合剂，在各种装饰材料、及家具中大量使用。以脲醛树脂为粘合剂的各种人造板（胶合板、纤维板、刨花板、细木工板等）、脲醛树脂隔热材料（uffi）含醛类消毒防腐剂的水溶性涂料等建筑装修材料是室内空气中甲醛的主要来源。室内装修时，人造板材家具和能够大量释放甲醛的建筑材料纷纷进入室内，地板胶、塑贴面，人造板、乳胶漆、合成纤维、粘合剂等都会释放出甲醛。
4.且甲醛有以下几个特点：
①
影响的范围比较大室内污染所涉及的人群比较广泛，不仅仅是办公室工作人员，还包括老人、小孩、病人等，影响的人数几乎包含了整个社会。据调查，人们每天有90%的时间都在室内生活、学习，如果不加以重视，人体的抵抗力降低，污染物趁虚而入。人们的生命就岌岌可危。而工业房气、废渣、废水等对环境造成的污染可能只是影响到成年的工作者，或者这个区域的一小部分人群，并不会对整个社会造成威胁。
5.②
长期性有文献表明，人们大部分的时间都会在室内生活、学习"。由于长时间处于室内环境，人们都会受到室内污染的影响，加之污染物是一个长期、缓慢的释放过程，对不同适应能力的人有不同地影响。因此，如果长期处于这样的环境下，人们的身心健康必将受到一定危害。
6.③
污染物浓度低
相比较工业污染，低室内污染物浓度的污染一般不能用简单的技术手段检测出来，并且在短期内不易被发现，其成因也难以找到。许多室内污染物的浓度都比较低，这种浓度暂时不会对人产生危害，但是时间长了也会对人们的身体健康造成威胁。
7.④
累积性和室外相比，室内环境相对狭小，有害物质的释放具有长期性的特点。从污染物进入室内导致室内污染物浓度升高，到排出室外浓度逐渐趋于零，大都需要经过很长的时间。若方法不得当，污染物的含量将会不断地增加，影响身体状况。通常来讲，良好的通风环境能够缓解甲醛的污染。
8.近年来，随着物联网的迅速发展，气体传感器在工业生产安全探测、大气环境污染监测、智能移动终端及新兴的智能家居等领域有着巨大的应用前景。金属氧化物半导体气体传感器因具有较低的成本和优异的气敏特性成为广泛商用的气体传感器，但其仍存在工作温度较高、选择性不佳、稳定性差等缺点而无法满足新时代获取环境信息融入物联网技术的需求。因此，开发低功耗、集成化及智能化的200℃金属氧化物气体传感器，实现对有毒易燃易爆气体识别检测，可为物联网时代的环境监测领域注入新的活力。
9.氧化铟（in2o3）是一种具有3.55-3.75 ev的直接带隙和2.62 ev的间接带隙的n型半导体材料。由于in2o3具有良好电导率，独特气体吸附和催化特性，以及低电子亲和力，在微电子领域具有广阔的应用前景。因此，利用in2o3作为气敏材料，研究其对甲醛等易挥发有机化合物的敏感性能具有重要商业价值。随着纳米技术的兴起和蓬勃发展，利用先进的纳米技术，合成性能优异的in2o3纳米结构敏感材料，并通过调控材料的微观结构和组成来设计和构建气体传感平台是改善气敏性能的有效技术手段。因此，本发明采用简单的一步水热合成方法制备出由纳米片组装的in2o3材料，其所用设备简单、成本低廉，产品纯度高，适于大规模工业化生产，并对甲醛气体表现出良好的检测特性，且最大的优势在于可200℃检测，将为室内空气污染物的现场在线监测提供一条简便快捷的技术手段。


技术实现要素：

10.本发明目的在于克服现有技术存在的气体传感器工作温度高的缺点，提供一种in2o3复合材料的制备及应用于甲醛气体传感器方法，该材料作为气体敏感材料应用于气体传感器，可以在200℃下实现对甲醛气体的选择性检测。
11.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种in2o3纳米材料的制备方法，所述方法包括如下制备步骤：（1）称取氯化铟、对苯二甲酸，溶解于10 ml n,n-二甲基乙酰胺溶液中，添加无水醋酸钠溶液，将所有混合溶液使用恒温水浴锅100℃搅拌30分钟后，得到前驱体反应溶液；（2）将反应后的溶液离心分离获得反应产物，再使用蒸馏水、无水乙醇反复洗涤；（3）将洗涤后的反应产物放入恒定温度的干燥箱中，60℃，12小时进行干燥处理，干燥完成后冷却；（4）将干燥后的产物放入干净的坩埚中置入马弗炉中，500℃煅烧4小时，得到in2o3纳米材料，将其保存在干燥器中以待进行分析检测。
12.一种in2o3纳米材料在甲醛气体传感器应用方法，其应用包括以下步骤：（1）取in2o3材料加入无水乙醇制成浆料，将其涂覆在带有金电极和四个铂导线的
氧化铝陶瓷管外壁上；（2）将镍-铬合金加热丝穿过粘有样品的氧化铝陶瓷管，并将加热丝与陶瓷管平行，使其远离陶瓷管；（3）将陶瓷管的四根导电线和加热丝的两端分别焊接在六脚底座上，制得气体传感器元件；（4）采用ws-30a气敏测试仪，测试传感器的气体敏感特性；测试温度为200℃；即可。
13.其过程为：将in2o3纳米材料放入研钵中研磨20分钟；然后加入去离子水，再继续研磨20分钟，制成浆料；用毛刷沾取少量浆料，均匀地涂覆在陶瓷管表面，然后在80℃条件下烘干，将镍-铬合金加热丝穿过粘有样品的陶瓷管，并将加热丝与陶瓷管的四根导电线分别焊接在六脚底座上，制得气体传感器元件。然后将其置于老化台上200℃老化48小时，制得气体传感器元件；采用ws-30a气敏测试仪，测试传感器的气体敏感特性即可。
14.本发明的优点和有益效果：（1）本发明以氯化铟、n,n-二甲基乙酰胺，无水醋酸钠为原料，一步水热法制备了in2o3纳米材料。具有成本低廉，可控性好，制备的材料纯度高、结晶好、分散性好的优点，适用于大规模工业化生产。
15.（2）本发明制得的in2o3纳米材料因具有独特的空间结构，不仅增加材料的比表面积，同时还能构筑发达的分级孔通道，使材料具有更好的渗透性，作为气敏材料制备的气体传感器对甲醛在200℃下表现出较高的灵敏度，良好的选择性和稳定性，在检测室内环境中的有机挥发气体方面具有广阔的应用前景。
16.（3）本发明制作的in2o3基甲醛气体传感器制作工艺简单、成本低廉，适用于工业化批量生产。本发明在气敏材料的设计与制备过程中，采用的是简单高效的一步水热法，通过构建有机金属氧化物框架（mof)，使其具有优异的应用性能。整个生产过程可控性好、无毒无害。
附图说明
17.图1为甲醛传感器的结构示意图；图2为气体传感器在不同温度下10 ppm甲醛气体的灵敏度图；图3为气体传感器对200℃下10 ppm甲醛气体的灵敏度图；图4为气体传感器对200℃下10 ppm甲醛气体的响应恢复曲线；图5为实施例3在200℃下对10 ppm气体的选择性测试灵敏度图。
具体实施方式
18.下面结合附图所示实施例对本发明进行详细说明。
19.本发明起始原料是廉价易得的氯化铟、硝酸钴、硝酸镍和尿素，通过水热反应，经过离心，洗涤，烘干和煅烧等处理。所制备的in2o3纳米材料直径为2~3
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m，其由纳米片自组装而成，分散性良好，粉体表面有大量的孔隙。将in2o3纳米材料制备成气体传感器，因其独特的空间结构，对甲醛在较低工作温度下表现出较高的灵敏度、良好的选择性和稳定性。
20.in2o3纳米材料制备方法，包括以下步骤：
步骤一：称取氯化铟、对苯二甲酸，溶解于10 mln,n-二甲基乙酰胺溶液中，添加无水醋酸钠溶液，将所有混合溶液使用恒温水浴锅100℃搅拌30分钟后，得到前驱体反应溶液；步骤二：将步骤一反应后的溶液离心分离获得反应产物，再使用蒸馏水、无水乙醇反复洗涤；步骤三：将步骤二洗涤后的反应产物放入恒定温度的干燥箱中，60℃，12小时进行干燥处理，干燥完成后冷却；步骤四：将步骤五干燥后的产物放入干净的坩埚中置入马弗炉中，500℃煅烧4小时，得到in2o3纳米材料，将其保存在干燥器中以待进行分析检测。
21.实施例 1制备in2o3材料步骤一：称取氯化铟0.3810g、对苯二甲酸0.1661g，溶解于10 mln,n-二甲基乙酰胺溶液中，添加无水醋酸钠溶液，将所有混合溶液使用恒温水浴锅100℃搅拌30分钟后，得到前驱体反应溶液；步骤二：将步骤一反应后的溶液离心分离获得反应产物，再使用蒸馏水、无水乙醇反复洗涤；再将洗涤后的反应产物放入恒定温度的干燥箱中，60℃，12小时进行干燥处理，干燥后得到白色粉末；步骤三：将步骤二干燥后的产物放入干净的坩埚中置入马弗炉中，500℃煅烧4小时，得到in2o3材料，将其保存在干燥器中以待进行分析检测。
22.实施例 2制备in2o3材料步骤一：称取氯化铟0.3810g、对苯二甲酸0.1661g，溶解于10 mln,n-二甲基乙酰胺溶液中，添加无水醋酸钠溶液，将所有混合溶液使用恒温水浴锅100℃搅拌30分钟后，得到前驱体反应溶液；步骤二：将步骤一反应后的溶液离心分离获得反应产物，再使用蒸馏水、无水乙醇反复洗涤；再将洗涤后的反应产物放入恒定温度的干燥箱中，60℃，12小时进行干燥处理，干燥后得到白色粉末；步骤三：将步骤二干燥后的产物放入干净的坩埚中置入马弗炉中，300℃煅烧4小时，得到in2o3材料，将其保存在干燥器中以待进行分析检测。
23.实施例 3制备in2o3材料步骤一：称取氯化铟0.3810g、对苯二甲酸0.1661g，溶解于10 mln,n-二甲基乙酰胺溶液中，添加无水醋酸钠溶液，将所有混合溶液使用恒温水浴锅100℃搅拌30分钟后，得到前驱体反应溶液；步骤二：将步骤一反应后的溶液离心分离获得反应产物，再使用蒸馏水、无水乙醇反复洗涤；再将洗涤后的反应产物放入恒定温度的干燥箱中，60℃，12小时进行干燥处理，干燥后得到白色粉末；步骤三：将步骤二干燥后的产物放入干净的坩埚中置入马弗炉中，200℃煅烧4小时，得到in2o3材料，将其保存在干燥器中以待进行分析检测。
24.制得的in2o3纳米材料产物制成气体传感器，对甲醛进行了相关的气敏性能测试：取in2o3纳米材料产物加入水制成浆料，涂覆在氧化铝陶瓷管上，氧化铝陶瓷管上有两个金电极和四个铂导线，管中为镍-铬加热丝。将陶瓷管焊接在六脚底座上，制得气体传感器元件，如图1所示。
25.气体传感器在200℃下对10 ppm甲醛气体的灵敏度曲线图，如图2所示。从图中可以明显看出，在200℃下，几种气体传感器的灵敏度出现差别，其中，实施例1传感器灵敏度为7.1；实施例2灵敏度为2.65；实施例3灵敏度为3.08；实施例4灵敏度为1.97。
26.通过对比发现，实施例3中的传感器在敏感特性上表现的更加出色。
27.图3所示为工作温度为200℃时对10ppm甲醛气体的响应-恢复曲线，由图可见，实施例1中的传感器对甲醛具有良好的响应-恢复特性。
28.图5所示以实施例1为例测试对10ppm的6中气体选择性测试结果，可以看出本传感器对甲醛气体的选择性非常高。