CN101144789A - 甲醛气敏材料及其制备方法以及甲醛气敏器件的制作方法 - Google Patents

甲醛气敏材料及其制备方法以及甲醛气敏器件的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及甲醛气敏材料及其制备方法以及甲醛气敏器件的制作方法，甲醛气敏材料组分以SnO2－TiO2二元纳米复合材料为基质，其中Ti/Sn摩尔比为0.2－0.5，掺入质量分数比为2％－5％的Cd2+，将甲醛气敏材料研磨后以适量无水乙醇及0.2－1份聚乙二醇调成糊状，均匀涂敷在电极管表面，经过400℃退火处理2－4小时，制得甲醛气敏电极管；(3)、最后按旁热式结构传统工艺对气敏电极管进行焊接、电老化、封装、制得甲醛气敏器件。本发明制得的气敏传感器具有较低工作温度，对甲醛气体灵敏度高，对室内其他污染气体苯、甲苯、二甲苯、氨等气体的抗扰性能好，响应与恢复时间短等优点，可用于室内装饰甲醛气体污染的检测。

Description

甲醛气敏材料及其制备方法以及甲醛气敏器件的制作方法
技术领域
本发明属于金属氧化物半导体气敏元件技术领域，具体涉及一种甲醛气敏材料及其制备方法以及甲醛气敏器件的制作方法。
背景技术
甲醛是一种破坏生物细胞蛋白质的原生质毒物，会对人的皮肤、呼吸道及内脏造成损害，麻醉人的中枢神经，引起肺水肿、肝昏迷、肾衰竭等。目前甲醛污染问题集中于居室、装饰材料中。居室装饰材料和家具中的胶合板、纤维板、等人造板材中含有大量以甲醛为主的脲醛树脂，各类油漆、涂料中都含有甲醛。甲醛污染问题严重威胁人体健康，应引起人们的高度关注，甲醛含量已成为当今居室污染监测的一项重要安全指标。
现今国内外气敏传感器的研究与生产绝大多数以金属氧化物半导体SnO2、ZnO、Fe2O3为主要基质材料，国内市场中95％为传统的旁热式结构的气敏元件。而对于甲醛气敏传感器，在国内正处于探索、研究阶段，尚未形成商业化。国内对于室内甲醛气体的探测仍以取样后进行测试的方法为主，而甲醛气体的释放是一个逐渐的过程，因此研究一种市民可以在自己家中独立完成的、简便、灵敏、快速、直观、准确、经济的甲醛气敏传感器将会有很大的市场前景。
对甲醛污染气体的检测最理想的方法首选半导体气敏传感器，因为它具有反应快、灵敏度高、无须采样、现场检测、使用方便等优点。其中理想的气敏传感器，取决于气敏材料的性能，气敏材料的开发是气敏传感器研究领域里的最为关键部分。
发明内容
本发明的目的在于提供一种经济、有效测试甲醛气体的甲醛气敏材料及其制备方法。
本发明的另一目的提供一种用甲醛气敏材料制作甲醛气敏器件的方法，将本发明的制备的甲醛气敏材料制作气敏电极，再采用的是传统的烧结旁热式气敏元件的制备方法制作甲醛气敏器件。
本发明的技术方案如下：
甲醛气敏材料组分以SnO2-TiO2二元纳米复合粉末为基质，其中Ti/Sn摩尔比为0.2-0.5，掺入质量分数比为2％-5％的Cd2+。
上述SnO2-TiO2二元纳米复合粉末为纳米细粉，主要以锐钛矿型TiO2与四方晶型SnO2相为主，粒径在20-100nm。
SnO2-TiO2二元纳米复合粉末是由溶胶-凝胶法制得，按体积份取各原料，取10份Ti(OC4H9)4在搅拌条件下，逐滴加到26份无水乙醇中，再继续搅拌30min，得到浅黄色透明溶液A；按计算Sn和Ti的摩尔比为0.2-0.5取SnCl4·5H2O加入到溶液A中，搅拌使溶液均匀透明，得到溶液B；将20份无水乙醇、2份浓度为1mol/L HCl水溶液和2-5份蒸馏水混合均匀后得到无色透明溶液C；将溶液C在搅拌条件下，逐滴加到溶液B中，得到淡黄色透明溶液，继续搅拌2h，然后密封静置，真空干燥后得到米黄色凝胶颗粒；将干凝胶研磨细化后，在450℃下煅烧2h，即得到SnO2-TiO2二元纳米复合粉末，通过改变SnCl4·5H2O的量得到摩尔比Sn/Ti＝0.2-0.5的比例的SnO2-TiO2二元纳米复合粉末；将质量分数比为2％-5％CdCl2与SnO2-TiO2二元纳米复合粉末混合研磨，使Cd2+掺杂到纳米复合粉末中，再以适量的无水乙醇及0.2-1份聚乙二醇调成糊状，均匀涂敷在电极管表面，经过400℃退火处理2-4小时，制得甲醛气敏电极管。
本发明甲醛气敏器件的制作步骤如下：
1.SnO2-TiO2二元复合纳米粉末的制备：
按体积份取各原料，取10份Ti(OC4H9)4在搅拌条件下，逐滴加到26份无水乙醇中，再继续搅拌30min，得到浅黄色透明溶液A；按计算摩尔比Sn/Ti为0.2-0.5取SnCl4·5H2O加入到溶液A中，搅拌使溶液均匀透明，得到B液；将20份无水乙醇、2份浓度为1mol/L HCl水溶液和2-5份蒸馏水混合均匀后得到无色透明溶液C；将溶液C在搅拌条件下，逐滴加到溶液B中，得到淡黄色透明溶液，继续搅拌2h，然后密封静置，真空干燥后得到米黄色凝胶颗粒；将干凝胶研磨细化后，在450℃下煅烧2h，即得到SnO2-TiO2二元纳米复合粉末，通过改变SnCl4·5H2O的量得到摩尔比Sn/Ti＝0.2-0.5的比例的SnO2-TiO2二元纳米复合粉末；
2.将步骤1所得的SnO2-TiO2二元纳米复合粉末与质量分数比为2％-5％CdCl2混合研磨，使Cd2+掺杂到纳米复合粉末中，以提高对甲醛气体的灵敏度与选择性，研磨后以适量无水乙醇及0.2-1份聚乙二醇调成糊状，均匀涂敷在电极管表面，经过400℃退火处理2-4小时，制得甲醛气敏器件的核心部分：甲醛气敏电极管；
3、最后按旁热式结构传统工艺对气敏电极管进行焊接、电老化、封装、制得甲醛气敏器件。
与现有技术相比本发明的甲醛气敏器件的特点如下：
本发明提出了一种新的甲醛气敏材料，该材料具备纳米材料的量子效应，自催化活性，表面效应等特点，同时作为一种新开发的气敏材料，对甲醛气体灵敏度高，分辨率高，选择性能好，能有效分辨室内装饰污染气体如苯、甲苯、二甲苯、氨等气体对甲醛气敏元件的干扰，响应时间短、工作温度低，符合实用标准的室内甲醛气敏传感器器件的要求。
本发明的甲醛气敏器件主要技术指标如下：
1、器件检测范围：气体浓度20ppm-1000ppm；
2、器件工作温度：260℃-300℃；
3、检测灵敏度：12-60，甲醛浓度20ppm-1000ppm
4、抗扰性能：对干扰气体苯、甲苯、二甲苯、氨灵敏度≦5；
5、器件反应时间：小于15s；
6、器件恢复时间：小于32s。
具体实施方式
以下用实例对本发明作进一步说明，但不限于此。
实施例1
甲醛气敏器件制作步骤：
1.SnO2-TiO2二元纳米复合粉末的制备
取10ml Ti(OC4H9)4在搅拌条件下，逐滴加到26ml无水乙醇中，再继续搅拌30min，得到浅黄色透明溶液A；按计算Sn和Ti的摩尔比为0.3取SnCl4·5H2O加入到溶液A中，搅拌使溶液均匀透明，得到B液；将20ml无水乙醇、2ml浓度为1mol/L HCl水溶液和2ml蒸馏水混合均匀后得到无色透明溶液C；将溶液C在搅拌条件下，滴加到溶液B液中，可得到淡黄色透明溶液继续搅拌2h，然后密封静置，真空干燥后得到黄白色凝胶颗粒；将干凝胶研磨细化后，在450℃下煅烧2h，即得到SnO2-TiO2二元纳米复合粉末；
2.将质量分数比为2％的CdCl2与步骤1所得的SnO2-TiO2二元纳米复合粉末混合研磨，使Cd2+掺杂到纳米复合粉末中，以提高对甲醛气体的灵敏度与选择性，研磨后以适量无水乙醇及0.5ml聚乙二醇调成糊状，均匀涂敷在电极管表面，经过400℃退火处理3小时，制得甲醛气敏电极管；
3、最后按旁热式结构传统工艺对甲醛气敏电极管进行焊接、电老化、封装，制得甲醛气敏器件。此器件专门用于室内装饰污染气体甲醛的检测，对于其他室内装饰污染气体如苯、甲苯、二甲苯、氨等气体具有很好抗扰性。
实施2中甲醛气敏器件制作步骤除Sn和Ti的摩尔比为0.2取SnCl4·5H2O的量和SnO2-TiO2二元纳米复合粉末按质量分数比3％掺杂CdCl2外，其余与例1相同。
实施3中甲醛气敏器件制作步骤除Sn和Ti的摩尔比为0.5取SnCl4·5H2O的量和SnO2-TiO2二元纳米复合粉末按质量分数比5％掺杂CdCl2外，其余与例1相同。

Claims (4)

1.甲醛气敏材料，材料组分以SnO2-TiO2二元纳米复合粉末为基质，其中Ti/Sn摩尔比为0.2-0.5，掺入质量分数比为2％-5％的Cd2+。
2.根据权利要求1所述甲醛气敏材料，其特征在于：SnO2-TiO2二元纳米复合粉末，TiO2为锐钛矿型TiO2相，SnO2为四方晶型SnO2相，粒径在20-100nm。
3.甲醛气敏材料的制备方法，按以下步骤进行：(1)、SnO2-TiO2二元纳米复合粉末的制备：按体积份取各原料，取10份Ti(OC4H9)4在搅拌条件下，逐滴加到26份无水乙醇中，再继续搅拌30min，得到浅黄色透明溶液A；按计算摩尔比Sn/Ti为0.2-0.5取SnCl4·5H2O加入到溶液A中，搅拌使溶液均匀透明，得到溶液B；将20份无水乙醇、2份浓度为1mol/L HCl水溶液和2-5份蒸馏水混合均匀后得到无色透明溶液C；将溶液C在搅拌条件下，滴加到溶液B中，得到淡黄色透明溶液，继续搅拌2h，然后密封静置，真空干燥后得到米黄色凝胶颗粒；将干凝胶研磨细化后，在450℃下煅烧2h，得到SnO2-TiO2二元纳米复合粉末；(2)、将SnO2-TiO2二元纳米复合粉末按质量分数比2％-5％掺杂CdCl2。
4.甲醛气敏器件的制作方法，按以下步骤进行：(1)、SnO2-TiO2二元复合纳米粉末的制备：按体积份取各原料，取10份Ti(OC4H9)4在搅拌条件下，逐滴加到26份无水乙醇中，再继续搅拌30min，得到浅黄色透明溶液A；按计算摩尔比Sn/Ti为0.2-0.5取SnCl4·5H2O加入到溶液A中，搅拌使溶液均匀透明，得到溶液B；将20份无水乙醇、2份浓度为1mol/L HCl水溶液和2-5份蒸馏水混合均匀后得到无色透明溶液C；将溶液C在搅拌条件下，滴加到溶液B中，得到淡黄色透明溶液，继续搅拌2h，然后密封静置，真空干燥后得到米黄色凝胶颗粒；将干凝胶研磨细化后，在450℃下煅烧2h，即得到SnO2-TiO2二元纳米复合粉末；(2)将步骤(1)所得的SnO2-TiO2二元纳米复合粉末按质量分数比2％-5％掺杂CdCl2，研磨后以适量无水乙醇及0.2-1份聚乙二醇调成糊状，均匀涂敷在电极管表面，经过400℃退火处理2-4小时，制得甲醛气敏电极管；(3)、最后按旁热式结构传统工艺对气敏电极管进行焊接、电老化、封装、制得甲醛气敏器件。
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