CN104198540A - 一种用于检测低浓度乙醛的气敏材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种对乙醛气体高灵敏度的新型气敏材料，属于气敏材料技术领域。本发明以SnO2为基料，通过溶剂热反应法(乙醇作溶剂)在SnO2中掺入Sb2O3和石墨烯，其中SnO2与Sb2O3的摩尔比是8-10之间，掺入石墨烯的量为SnO2和Sb2O3质量之和的0.08-1.0％。以该材料作为敏感材料制成的旁热式气敏传感器，在25℃工作温度下，对0.1ppm乙醛的灵敏度(空气中元件电阻与被测气体中元件电阻比值)在1.3-1.5之间，对1000ppm乙醛的灵敏度在60-70之间。

Description

一种用于检测低浓度乙醛的气敏材料
技术领域
本发明属于气敏材料，该材料用于制作气体传感器，制成的气体传感器对空气中低浓度乙醛有高灵敏度和较好选择性。
技术背景
乙醛的一般毒性主要表现为对皮肤、眼睛和上呼吸道粘膜的直接刺激作用,使痰增多,眼充血红肿,引起过敏、头痛等。吸入高浓度的乙醛则会引起窒息,甚至呼吸麻痹而死亡。乙醛能够与DNA共价结合形成加合物,引起DNA链间交联及DNA断裂等，乙醛还影响胚胎的发育。随着生活水平的提高和卫生意识的增强,人们越来越关注乙醛的存在。准确检测空气中乙醛,对于保护人体健康有十分重要的意义。
目前检测室内或车间空气中乙醛的方法主要是气相色谱法、分光光度法、高效液相色谱法和化学发光法等，这些方法需要比较复杂、昂贵的仪器。金属氧化物半导体气敏传感器由于价格低廉、易于制作、可以实现在线检测而受到广泛重视。Yasuhiro Shimizu等(Journal of The Electrochemical Society,146(3)1222-1226(1999))在二氧化锡中掺入0.1wt％Rh，材料制成元件在350℃工作温度下对40ppm乙醛的灵敏度的灵敏度(空气中元件电阻与被测气体中元件电阻比值)达到2倍。Jae-Mok Jun等(Bull.Korean Chem.Soc.32(6)1865-1872(2011))在WO3中掺入5wt％SnO2和1wt％Ru，制成厚膜元件在300℃工作温度下对100ppm乙醛灵敏度达到10。目前文献报道的金属氧化物半导体乙醛敏感材料及其传感器的工作温度和检出限偏高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于检测空气中乙醛浓度的气体敏感材料，以期提高乙醛气体传感器对低浓度乙醛的检测能力、降低传感器的工作温度和对乙醛的最低检出限。
本发明的气敏材料是以SnO2为基料，通过溶剂热反应法(乙醇作溶剂)在SnO2中掺入Sb2O3和石墨烯，其中SnO2与Sb2O3的摩尔比是8-10之间，掺入石墨烯的量为SnO2和Sb2O3质量之和的0.08-1.0％。
该材料用溶剂热法制备，即按照一定摩尔比将四氯化锡、三氯化锑溶解在乙醇中，将一定量的石墨烯加入到上述混合溶液中，超声分散1小时，然后边搅拌边逐滴加入NaOH乙醇溶液，NaOH的摩尔数等于4倍的四氯化锡摩尔数与3倍的三氯化锑摩尔数之和，将混合物转移至带聚四氟乙烯的高压反应釜中，在100-140℃保温8-24小时，让反应釜自然冷却至室温，将产物过滤、用去离子水和乙醇洗涤至滤液中检不出氯离子，在60℃真空干燥，即得到气敏材料。
本发明的材料可以作为乙醛气体敏感元件的敏感材料，利用该材料制作旁热式气敏元件的方法是：将0.1克材料与0.5克松油醇混合研磨制成浆料，用小毛刷将浆料涂到氧化铝陶瓷管的表面；氧化铝陶瓷管的尺寸是：长6毫米，内径1.6毫米，外径2毫米，在氧化铝管两端用金奖作电极，电极上焊有金丝作为引线，电极之间距离是1毫米；在氧化铝管内放置镍铬合金丝作为加热丝，通过控制流过加热丝的电流和加热丝两端电压可以控制氧化铝管表面敏感材料的温度；将涂有敏感材料浆料的氧化铝管放在红外灯下烘干，即得到旁热式气敏元件。元件对某种气体的灵敏度是在工作温度下，元件在空气中电阻与元件在被测气体中电阻的比值。元件对乙醛的最低检出限达到0.1ppm，而且对室内常见污染气体1000ppm乙醛、1000ppm氨气、1000ppm苯的灵敏度均低于3。
具体实施方式
下面以具体实施例说明材料对乙醛的高灵敏度、低检出限和良好选择性。
实施例1
将0.75ml浓度为1mg/ml的石墨烯乙醇悬浮液加入到30ml乙醇中超声分散1小时后加入1ml浓盐酸搅拌，分别加入0.0005mol SbCl3和0.0045mol SnCl4，搅拌溶解后继续超声分散1小时，边搅拌边逐滴加入10ml浓度为1.95mol/L的NaOH的乙醇溶液，搅拌10分钟后，将混合物转移至容积为50ml带聚四氟乙烯的高压反应釜中，在100℃保温10小时，让反应釜自然冷却至室温，将产物过滤、用去离子水和乙醇洗涤至滤液中检不出氯离子，在60℃真空干燥，即得到气敏材料(材料中Sn/Sb的摩尔比是9，掺入石墨烯的量为SnO2和Sb2O3质量之和的0.1％)。
将材料制成旁热式元件，测得元件在20℃工作温度下对0.1ppm、1ppm、10ppm、100ppm、1000ppm乙醛的灵敏度分别为1.4、2.0、5.1、10、65。而相同工作温度下对1000ppm的乙醛和100ppm苯的灵敏度只有1.3和1.9。对0.1-1000pp的乙醛响应时间和恢复时间均不超过30秒。
实施例2
将0.55ml浓度为1mg/ml的石墨烯乙醇悬浮液加入到30ml乙醇中超声分散1小时后加入1ml浓盐酸搅拌，分别加入0.0005mol SbCl3和0.004mol SnCl4，搅拌溶解后继续超声分散1小时，边搅拌边逐滴加入10ml浓度为1.75mol/L的NaOH的乙醇溶液，搅拌10分钟后，将混合物转移至容积为50ml带聚四氟乙烯的高压反应釜中，在120℃保温16小时，让反应釜自然冷却至室温，将产物过滤、用去离子水和乙醇洗涤至滤液中检不出氯离子，在60℃真空干燥，即得到气敏材料(材料中Sn/Sb的摩尔比是8，掺入石墨烯的量为SnO2和Sb2O3质量之和的0.08％)。
将材料制成旁热式元件，测得元件在20℃工作温度下对0.1ppm、1ppm、10ppm、100ppm、1000ppm乙醛的灵敏度分别为1.3、1.9、5.0、9.0、60。而相同工作温度下对1000ppm的乙醛和100ppm苯的灵敏度只有1.2和1.8。对0.1-1000pp的乙醛响应时间和恢复时间均不超过35秒。
实施例3
将8.3ml浓度为1mg/ml的石墨烯乙醇悬浮液加入到22ml乙醇中超声分散1小时后加入1ml浓盐酸搅拌，分别加入0.0005mol SbCl3和0.005mol SnCl4，搅拌溶解后继续超声分散1小时，边搅拌边逐滴加入10ml浓度为2.15mol/L的NaOH的乙醇溶液，搅拌10分钟后，将混合物转移至容积为50ml带聚四氟乙烯的高压反应釜中，在140℃保温24小时，让反应釜自然冷却至室温，将产物过滤、用去离子水和乙醇洗涤至滤液中检不出氯离子，在60℃真空干燥，即得到气敏材料(材料中Sn/Sb的摩尔比是10，掺入石墨烯的量为SnO2和Sb2O3质量之和的1％)。
将材料制成旁热式元件，测得元件在20℃工作温度下对0.1ppm、1ppm、10ppm、100ppm、1000ppm乙醛的灵敏度分别为1.5、2.2、5.8、11、70。而相同工作温度下对1000ppm的乙醛和100ppm苯的灵敏度只有1.4和2.0。对0.1-1000pp的乙醛响应时间和恢复时间均不超过40秒。

Claims (1)

1.一种用于检测低浓度乙醛的气敏材料，其特征在于，该材料是在SnO2中掺杂Sb2O3和石墨烯的复合材料，其中：Sn与Sb的摩尔比为8～10，石墨烯的质量为SnO2和Sb2O3质量之和的0.08～1.0％。
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