一种基于Pt修饰的SnO2纳米棒传感器及其制作方法和应用与流程

本发明涉及一种基于pt修饰的sno2纳米棒传感器及其制作方法和应用，属于无机纳米功能材料技术领域。

背景技术：

氢能源以其产物无污染、具有高燃烧热值、高能量、可被循环使用的优点，从中脱颖而出，受到人们的高度重视。目前，氢能源已经用于各个行业中，如航空航天、军事国防领域、化工、生物医学、半导体加工、金属冶炼、地震监测等领域。然而由于分子小(半径约为0.15nm)、密度小(0.0899kg/m³)、沸点低(20.39k)、空气中扩散系数高(0.16cm³/s)等原因，氢气在生产、存储、运输和使用过程中极易发生泄漏。无色无味的氢气泄漏后不会被人察觉，当其在空气中含量为4％-75％时，遇明火就会发生严重爆炸事故。

近年来，人们对如何检测氢气做了大量的研究。2009年日本富山大学toshinariyamazaki等人采用不同含量的pt对sno2纳米线进行修饰，实验发现pt含量为2％的敏感材料在100℃时对1000ppm的响应性能最佳，响应灵敏度因子高达118(r-air/r-hydrogen)，但是此类产品若要获得高灵敏和快速响应及恢复的性能，检测成本昂贵，且由于工作温度高于室温，易燃易爆的性质使其增加了很多不安全的因素。所以，探究室温下快速测定氢气的传感器具有重要的意义。

目前，市面上销售的半导体氢气传感器主要包括粉体型与mems型两种，二者均需在100℃以上的温度下才具有较好的氢敏响应。如cambridgecmossensors公司于2014年推出的微型热平板技术半导体氢气传感器体积小、稳定时间短，且敏感性能优异，但并不能独立在室温下工作。

四方相sno2材料具有规则的纳米花结构，采用水热合成技术生长高比表面积的sno2纳米棒材料，取代现有传感器中常用的陶瓷或薄膜材料作为氢气敏感层。利用纳米棒高的比表面积和特殊的一维电输运通道，提高敏感层对氢气的响应特性。修饰在表面的pt纳米颗粒对氢气在sno2纳米棒表面的氧化还原反应有较高催化性能，提高并加快室温下sno2纳米棒的氢气响应，可用于研制高性能室温氢气传感器件。本发明中的一种基于pt修饰sno2纳米棒的室温氢气气体传感器及其制作方法，未见于已公开的文献或专利技术中。

技术实现要素：

本发明的目的是针对背景技术提出的问题，设计出的一种基于pt修饰的sno2纳米棒传感器及其制作方法和应用，该传感器可用于室温下快速检测环境中氢气的浓度，且在不同pt纳米颗粒修饰下，所述氢气气体传感器电阻值有较大变化。本发明能探测浓度宽泛的氢气气体，对氢气的响应速度远远快于同类型的氢气气体传感器，且能够在室温下直接进行检测。本发明制备工艺简单、能耗低、制作过程无污染。

为了达到上述目的，本发明采用以下方案：

一种基于pt修饰的sno2纳米棒传感器，所述传感器在sno2纳米棒表面进行pt纳米颗粒的修饰，可用于室温下氢气气体的检测。

所述的pt修饰的sno2纳米棒采用如下重量份的各原料制备而成：

本发明的目的是提供一种基于pt修饰的sno2纳米棒传感器，该传感器可用于氢气的检测，氢气浓度最低可至10ppm，其检测灵敏度高，选择性好，响应时间短，重复性好。本发明的另一个目的是提供一种制备上述基于sno2纳米棒传感器的方法。

一种基于pt修饰的sno2纳米棒传感器的制备方法，按如下步骤进行：

(1)将0.1～0.5份氢氧化钠加入到10～30份去离子水中，搅拌10分钟后，在冷水浴下边搅拌边向溶液中缓慢加入0.1～0.4份五水合四氯化锡，搅拌10分钟后，再向其中加入10～30份无水乙醇，待溶液变为乳白色后，持续搅拌30～60分钟得前驱体溶液a；

(2)将前驱体溶液a转移到干净的不锈钢高压釜内，然后置于150℃～220℃的恒温反应箱中，持续反应24h～96h后，自然冷却到室温，得到含有sno2纳米棒的混合液；

(3)将含有sno2纳米棒的混合液用高纯去离子水反复清洗至中性，并在90℃的烘箱中干燥12h，可得到产物sno2纳米棒粉末；

其特征在于，再按如下步骤进行：

(4)将0.0015～0.0030份氯铂酸·六水倒入分别用无水乙醇和去离子水清洗干净的实验瓶中，同时加入5～10份的无水乙醇，避光进行3～12h的磁力搅拌后得到氯铂酸溶液；

(5)将(3)的得到的sno2纳米棒粉末取少量分散到1～5份无水乙醇中形成sno2纳米棒的悬浊液；

(6)用注射器取出适量步骤(4)中所得的氯铂酸溶液，并注入步骤(5)中所得的sno2纳米棒的悬浊液中，使得sno2纳米棒与pt纳米颗粒物质的量的比例在3：1至100:1之间，对其避光进行3h的磁力搅拌后得到溶液b；

(7)将溶液b放在254nm～320nm紫外灯下曝光12～15小时，得到含有pt修饰的sno2纳米棒混合液；

(8)将含有pt修饰的sno2纳米棒混合液用高纯去离子水反复清洗至中性，并在90℃的烘箱中干燥12h，得pt修饰的sno2纳米棒粉末；

(9)取适量pt修饰的sno2纳米棒粉末分散在0.1ml～1ml无水乙醇中得到pt修饰的sno2纳米棒的悬浊液，再将其刷涂到乙醇和去离子水清洗干净的衬底上，对其进行磁控溅射叉指电极，烘干12h后，组装得到一种常温下快速测定氢气浓度的基于pt修饰的sno2纳米棒传感器。

优选的，sno2纳米棒前驱体溶液升温至200℃并保持72小时，得到sno2纳米材料；优选的反应温度和时间，使得到的sno2纳米材料形状规则，成纳米花的晶格形貌。

优选的，使得sno2纳米棒与pt纳米颗粒物质的量的比例在5:1至10:1之间。

通过上述制备方法可制备一种基于pt修饰的sno2纳米棒传感器。本发明还涉及一种基于sno2纳米棒传感器在检测氢气中的应用。

本发明的原理如下：本发明采用了水热合成、自组装技术、超长时间处理，使纳米棒结晶度更好、有更高的长径比，使自组装更易发生。然后采用紫外光还原的方式将pt纳米颗粒均匀地修饰在sno2纳米棒上，从而增强了sno2纳米棒对氢气的高灵敏的快速响应，用这种方式组装的传感器件室温下能在氢气含量较低的环境中发生较为明显的电阻值变化，从而得到一种常温下快速测定氢气浓度的传感器。

本发明的有益效果：

(1)本发明用紫外光照还原的方法在纳米棒的表面均匀地修饰了催化剂颗粒，能够满足工业化的大批量生产。

(2)本发明以二氧化锡(sno2)纳米棒原料制备了常温下快速检测氢气的传感器，并且在不同pt纳米颗粒修饰下该传感器的电阻值有明显差异。

(3)本发明能够探测浓度宽泛的氢气气体，并且对氢气的响应速度远远高于同类型的氢气传感器，实现室温下氢气的快速监测。

附图说明

图1为实施例1的表面pt修饰的sno2纳米棒的sem图。

图2为实施例2的表面pt修饰的sno2纳米棒的sem图。

图3为实施例3的sno2纳米棒的sem图。

图4为实施例1的表面pt修饰的sno2纳米棒的eds图。

图5为实施例1的表面pt修饰的sno2纳米棒的tem图。

图6为实施例1的表面pt修饰的sno2纳米棒的hrtem图。

图7为实施例1的表面pt修饰的sno2纳米棒的xps图。

图8为实施例2的表面pt修饰的sno2纳米棒的xps图。

图9为实施例1的表面pt修饰的sno2纳米棒传感器的实物图。

图10为实施例1的表面pt修饰的sno2纳米棒传感器对1000ppm氢气气体的响应图。

图11为实施例1的表面pt修饰的sno2纳米棒传感器对1000ppm氢气气体的循环响应图。

图12为实施例2的表面pt修饰的sno2纳米棒传感器对1000ppm的响应图。

图13为实施例3的sno2纳米棒传感器对1000ppm的响应图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步说明，为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

(1)将0.68g氢氧化钠加入到20ml去离子水中，搅拌10分钟后，在冷水浴下边搅拌边向溶液中缓慢加入0.531g五水合四氯化锡，搅拌10分钟后，再向其中加入20ml无水乙醇，待溶液变为乳白色后，持续搅拌30分钟得前驱体溶液a；

(2)将前驱体溶液a转移到干净的不锈钢高压釜内，然后置于200℃的恒温反应箱中，持续反应72h后，自然冷却到室温，得到含有sno2纳米棒的混合液；

(3)将含有sno2纳米棒的混合液用高纯去离子水反复清洗至中性，并在90℃的烘箱中干燥12h，可得到产物sno2纳米棒粉末；

其特征在于：再按如下步骤进行：

(4)将0.1g氯铂酸·六水倒入分别用无水乙醇和去离子水清洗干净的实验瓶中，同时加入19.3ml的无水乙醇，避光进行6h的磁力搅拌后得到氯铂酸溶液。

(5)将(3)的得到的sno2纳米棒粉末取0.15g分散到5ml份无水乙醇中形成sno2纳米棒的悬浊液。

(6)用注射器取出2ml步骤(4)中所得的氯铂酸溶液，并注入步骤(5)中所得的sno2纳米棒的悬浊液中，使得sno2纳米棒与pt纳米颗粒物质的量的比为5：1。对其避光进行3h的磁力搅拌后得到溶液b。

(7)将溶液b放在254nm紫外灯下曝光12小时，得到含有pt修饰的sno2纳米棒混合液。

(8)将含有pt修饰的sno2纳米棒混合液用高纯去离子水反复清洗至中性，并在90℃的烘箱中干燥12h，得pt修饰的sno2纳米棒粉末。

(9)取适量pt修饰的sno2纳米棒粉末分散在0.4ml无水乙醇中得到pt修饰的sno2纳米棒的悬浊液，再将其刷涂到乙醇和去离子水清洗干净的衬底上，对其进行磁控溅射叉指电极，烘干12h后，组装得到一种常温下快速测定氢气浓度的基于pt修饰的sno2纳米棒传感器。

本实施例制备得到的表面pt修饰的sno2纳米棒组装的氢气传感器的sem图像如图1所示，pt分布的eds图如图4所示，tem图像如图5所示，hrtem图像如图6所示，xps分析结果如图7所示，表面pt修饰的sno2纳米棒组装的氢气传感器对于1000ppm浓度的氢气气体响应图如图10所示，循环响应图如图11所示。

实施例2：

(1)将0.68g氢氧化钠加入到20ml去离子水中，搅拌10分钟后，在冷水浴下边搅拌边向溶液中缓慢加入0.531g五水合四氯化锡，搅拌10分钟后，再向其中加入20ml无水乙醇，待溶液变为乳白色后，持续搅拌40分钟得前驱体溶液a；

(2)将前驱体溶液a转移到干净的不锈钢高压釜内，然后置于220℃的恒温反应箱中，持续反应72h后，自然冷却到室温，得到含有sno2纳米棒的混合液；

(3)将含有sno2纳米棒的混合液用高纯去离子水反复清洗至中性，并在90℃的烘箱中干燥12h，可得到产物sno2纳米棒粉末；

其特征在于：再按如下步骤进行

(4)将0.1g氯铂酸·六水倒入分别用无水乙醇和去离子水清洗干净的实验瓶中，同时加入19.3ml的无水乙醇，避光进行12h的磁力搅拌后得到氯铂酸溶液。

(5)将(3)的得到的sno2纳米棒粉末取0.06g分散到6ml份无水乙醇中形成sno2纳米棒的悬浊液。

(6)用注射器取出0.4ml步骤(4)中所得的氯铂酸溶液，并注入步骤(5)中所得的sno2纳米棒的悬浊液中，使得sno2纳米棒与pt纳米颗粒物质的量的比为10：1。对其避光进行3h的磁力搅拌后得到溶液b。

(7)将溶液b放在320nm紫外灯下曝光15小时，得到含有pt修饰的sno2纳米棒混合液。

(8)将含有pt修饰的sno2纳米棒混合液用高纯去离子水反复清洗至中性，并在90℃的烘箱中干燥12h，得pt修饰的sno2纳米棒粉末。

(9)取适量pt修饰的sno2纳米棒粉末分散在0.4ml无水乙醇中得到pt修饰的sno2纳米棒的悬浊液，再将其刷涂到乙醇和去离子水清洗干净的衬底上，对其进行磁控溅射叉指电极，烘干12h后，组装得到一种常温下快速测定氢气浓度的基于pt修饰的sno2纳米棒传感器。

本实施例的sem图像如图2所示，xps分析结果如图8所示，表面pt修饰的sno2纳米棒组装的氢气传感器对于1000ppm浓度的氢气气体响应图如图12所示。

实施例3：

(1)将0.68g氢氧化钠加入到20ml去离子水中，搅拌10分钟后，在冷水浴下边搅拌边向溶液中缓慢加入0.531g五水合四氯化锡，搅拌10分钟后，再向其中加入20ml无水乙醇，待溶液变为乳白色后，持续搅拌30分钟得前驱体溶液a；

(2)将前驱体溶液a转移到干净的不锈钢高压釜内，然后置于200℃的恒温反应箱中，持续反应72h后，自然冷却到室温，得到含有sno2纳米棒的混合液；

(3)将含有sno2纳米棒的混合液用高纯去离子水反复清洗至中性，并在90℃的烘箱中干燥12h，可得到产物sno2纳米棒粉末；

(4)将(3)的得到的sno2纳米棒粉末取0.2g分散到1ml份无水乙醇中形成sno2纳米棒的悬浊液。

(5)将其刷涂到乙醇和去离子水清洗干净的衬底上，对其进行磁控溅射叉指电极，烘干12h后，组装得到一种常温下快速测定氢气浓度的传感器。

本实施例制备得到的sno2纳米棒组装的氢气传感器的sem图像如图3所示，sno2纳米棒组装的氢气传感器对于1000ppm浓度的氢气气体响应图如图13所示。