一种中空分级结构的纳米线敏感材料及其制备方法、及氨气传感器与流程

本申请涉及氨气传感器的，尤其是涉及一种中空分级结构的纳米线敏感材料及其制备方法及氨气传感器。

背景技术：

1、传感器作为感知、获取和监测信息的源头，被广泛应用与环境监测、生物医学等领域中。其中，气体传感器是传感器领域一个重要的分支。随着工业生产技术迅猛发展的同时，工业毒气的泄露等污染空气的问题也引起了人们的重视。氨气是一种重要工业原料，对皮肤组织有较强的刺激作用，同时也具有严重的腐蚀性，并且氨气具有极高的溶解度，会刺激甚至腐蚀人类及动物的上呼吸道，严重威胁人类健康。因此，利用传感器监测生产及生活中的氨气是十分必要的。

2、相比于气相色谱、液相色谱、质谱等传统监测技术，目前半导体型气体传感器具有价廉、实时监测等优点，在健康环境监测、安全工业生产和协助医疗诊断等已经逐渐应用的越来越广泛。半导体型气体传感器主要以耐高温陶瓷作为基底，金属氧化物或者导电聚合物为气敏材料，利用目标气体在气敏材料的表面发生氧化或还原反应进而导致气敏材料的电学特性发生变化，通过对电学特性变化的测量从而达到监测气体的目的。虽然该氨气传感器已经能够基本满足气体安全实时监测等需求，不过金属氧化物为主的气敏材料通常都需要在较高的工作温度下，容易对传感器的稳定性造成影响；导电聚合物为主的气敏材料则具有工作寿命短的问题。因此，制备稳定性高及使用寿命长的传感器仍然是研究的重点。

技术实现思路

1、为了提高氨气传感器的使用寿命，并且在室温下即可以灵敏的对氨气进行监测，本申请提供一种中空分级结构的纳米线敏感材料。

2、本申请采用如下的技术方案：

3、一种中空分级结构的纳米线敏感材料，包括碳纳米纤维层、氧化镍层以及聚苯胺层，所述氧化镍层位于所述聚苯胺层和所述碳纳米纤维层之间，且所述碳纳米纤维层为中空结构。

4、中空结构的碳纳米纤维具有中空结构，且氧化镍包覆于中空的碳纤维表面，然后再包覆上聚苯胺层，中空碳纳米纤维提供高表面积和多孔隙率，有利于氨气的进入，从而有利于灵敏度的提升。而氧化镍具有独特的吸附特性和较宽的禁带宽度，从而具有高稳定性和快速恢复的能力。而最外层包覆上聚苯胺层，中空碳纳米纤维和聚苯胺之间存在的π-π堆积作用，将氧化镍夹持于中间层，从而形成分级结构，并且氧化镍颗粒和聚苯胺颗粒呈无序排列，颗粒之间的孔隙大大提高了气体的扩散路径，增加活性位点，使外表面电子富集和异质结构增多，由此促进了氨气的吸附和脱附，从而提升了氨气监测的能力。氧化镍层和聚苯胺层负载于碳纳米纤维的表面，使得氧化镍和聚苯胺于碳纳米纤维表面能够保持相互接触、不易产生裂缝等，从而提高了结构的稳定性，能够更持久的用于氨气的监测。

5、第二方面，本申请提供一种上述方案中的纳米线敏感材料的制备方法。

6、一种中空分级结构的纳米线敏感材料制备方法，包括以下步骤：

7、(1)将中空碳纳米纤维加入到乙醇和水的混合液中混合均匀，然后再依次加入镍盐和尿素，并在70-90℃的条件下进行反应，将生成的沉淀物洗净干燥，然后在300-400℃的条件下煅烧，得到氧化镍纳米线；

8、(2)将上述步骤中得到的氧化镍纳米线加入到水中并分散均匀，然后依次加入苯胺、质子酸和引发剂，并于0-4℃反应，将生成的沉淀洗净干燥，得到所述中空分级结构的纳米线敏感材料。

9、先在中空碳纳米纤维于混合液中混合均匀，先进行反应后再进行煅烧，使得氧化镍颗粒能够负载于中空碳纳米纤维的表面，然后在苯胺单体溶液中进行反应，由于中空碳纳米纤维和聚苯胺之间的π-π堆积作用以及碳纳米纤维表面基团和苯胺单体之间的氢键作用下，使得苯胺单体可以定位于碳纤维表面后再进行聚合。因此，中空碳纳米纤维可以作为聚合模板，从而改善有机聚合物的微观形貌，使得聚苯胺颗粒负载于中空碳纳米纤维表面，并增大与气体接触的活性位点，从而对氨气具有相对大的吸附能力，从而能够缩短反应时间和提高灵敏度的作用。

10、可选的，在所述步骤(1)中，所述镍盐选自乙酸镍。

11、可选的，所述乙酸镍和所述尿素的摩尔比为(2-3):(5-7)。

12、可选的，所述乙酸镍和所述尿素的摩尔比为3:6。

13、通过采用上述技术方案，通过对乙酸镍和尿素的摩尔比进一步的控制，使得氧化镍颗粒更加均匀，和氨气接触了之后电阻的变化速度快，从而使得对氨气监测的灵敏度更高。

14、可选的，在所述步骤(1)中，所述乙醇和所述水的体积比为1:1。

15、通过采用上述技术方案，通过对乙醇和水的体积比进行控制，有利于分散和反应，并且能够减少后期因为干燥和煅烧的过程中形成团聚体的情况，从而保持对氨气的监测灵敏度。

16、可选的，所述质子酸选自盐酸。

17、第三方面，本申请提供一种氨气传感器。

18、一种氨气传感器，包括使用上述制备方法制备得到的纳米线敏感材料，以及陶瓷板，所述纳米线敏感材料设置于所述陶瓷板表面。

19、通过采用上述技术方案，将上述的纳米线敏感材料制作成气敏材料，在对氨气进行监测的过程中，能够对氨气快速的做出反应，并改变自身的电阻，从而实现氨气监测的效果，并且灵敏度高和使用寿命长。

20、综上所述，本申请包括以下至少一种有益效果：

21、1.中空碳纳米纤维层、氧化镍层和聚苯胺层形成了分层结构，形成了以碳纳米纤维为模板，表面包覆纳米颗粒的纳米纤维结构，并且制备得到的纳米线敏感材料作为气敏材料，中空碳纳米纤维能够相互堆叠、搭建在一起，形成了多空隙的纳米纤维结构，增大氨气与材料接触的比表面积，有利于气体的吸附与解吸附；

22、2.中空碳纳米纤维和聚苯胺之间存在π键，从而使得体系内的π电子分布发生变化，从而对共轭效应产生影响，并且降低了聚苯胺中分子链中电子云密度，增加分子链中的离域化作用，电荷转移的能力大大提高，进而表现出对氨气更高的灵敏度。

技术特征：

1.一种中空分级结构的纳米线敏感材料，其特征在于：包括碳纳米纤维层、氧化镍层以及聚苯胺层，所述氧化镍层位于所述聚苯胺层和所述碳纳米纤维层之间，且所述碳纳米纤维层为中空结构。

2.一种权利要求1中的中空分级结构的纳米线敏感材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种中空分级结构的纳米线敏感材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤（1）中，所述镍盐选自乙酸镍。

4.根据权利要求3所述的一种中空分级结构的纳米线敏感材料的制备方法，其特征在于：所述乙酸镍和所述尿素的摩尔比为（2-3）:（5-7）。

5.根据权利要求2所述的一种中空分级结构的纳米线敏感材料的制备方法，其特征在于：所述乙酸镍和所述尿素的摩尔比为3:6。

6.根据权利要求2所述的一种中空分级结构的纳米线敏感材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤（1）中，所述乙醇和所述水的体积比为1:1。

7.根据权利要求2所述的一种中空分级结构的纳米线敏感材料的制备方法，其特征在于：所述质子酸选自盐酸。

8.一种氨气传感器，其特征在于：包括使用权利要求2-7中任意一项的制备方法制备得到的纳米线敏感材料，以及陶瓷板，所述纳米线敏感材料设置于所述陶瓷板表面。

技术总结
本申请公开了一种中空分级结构的纳米线敏感材料及其制备方法、及氨气传感器，制备方法包括以下步骤：（1）将中空碳纳米纤维加入到乙醇和水的混合液中混合均匀，然后再依次加入镍盐和尿素，并在70‑90℃的条件下进行反应，将生成的沉淀物洗净干燥，然后在300‑400℃的条件下煅烧，得到氧化镍纳米线；（2）将上述步骤中得到的氧化镍纳米线加入到水中并分散均匀，然后依次加入苯胺、质子酸和引发剂，并于0‑4℃反应，将生成的沉淀洗净干燥，得到所述中空分级结构的纳米线敏感材料。本申请能够提高氨气传感器监测的灵敏度。

技术研发人员：林海钦,殷玲,阴翔宇,侯琳熙,张举斌
受保护的技术使用者：福建久策气体股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15