CN106872533A - 一种基于石墨化碳化氮/二氧化锡复合材料的电阻型丙酮传感器、制备方法及其应用 - Google Patents
一种基于石墨化碳化氮/二氧化锡复合材料的电阻型丙酮传感器、制备方法及其应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106872533A CN106872533A CN201710247698.0A CN201710247698A CN106872533A CN 106872533 A CN106872533 A CN 106872533A CN 201710247698 A CN201710247698 A CN 201710247698A CN 106872533 A CN106872533 A CN 106872533A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- nitrogen carbide
- tin
- composite material
- acetone
- potsherd
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 256
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 142
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 127
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 107
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 92
- 238000005087 graphitization Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 11
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 69
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims abstract description 69
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims abstract description 69
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 47
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 32
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 18
- 238000003854 Surface Print Methods 0.000 claims abstract description 15
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 41
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 28
- 235000014121 butter Nutrition 0.000 claims description 24
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical group [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 16
- 238000001027 hydrothermal synthesis Methods 0.000 claims description 16
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 13
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 8
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 8
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 5
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 3
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 claims description 2
- 238000009833 condensation Methods 0.000 claims description 2
- 230000005494 condensation Effects 0.000 claims description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims 1
- 230000004044 response Effects 0.000 abstract description 24
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 10
- 238000007639 printing Methods 0.000 abstract description 8
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 abstract description 2
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 abstract description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 abstract 1
- 239000011218 binary composite Substances 0.000 description 18
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N ruthenium(iv) oxide Chemical compound O=[Ru]=O WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 9
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 8
- 238000001548 drop coating Methods 0.000 description 7
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 7
- AKGGYBADQZYZPD-UHFFFAOYSA-N benzylacetone Chemical compound CC(=O)CCC1=CC=CC=C1 AKGGYBADQZYZPD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 5
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 5
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 150000002576 ketones Chemical class 0.000 description 4
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012271 agricultural production Methods 0.000 description 2
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 2
- 230000004224 protection Effects 0.000 description 2
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 240000007594 Oryza sativa Species 0.000 description 1
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 150000001721 carbon Chemical group 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 description 1
- JCXJVPUVTGWSNB-UHFFFAOYSA-N nitrogen dioxide Inorganic materials O=[N]=O JCXJVPUVTGWSNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000004886 process control Methods 0.000 description 1
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000027756 respiratory electron transport chain Effects 0.000 description 1
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
- G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
- G01N27/125—Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer
- G01N27/127—Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer comprising nanoparticles
Abstract
一种基于石墨化碳化氮/二氧化锡复合材料的电阻型丙酮传感器、制作方法及其在检测丙酮中的应用，属于气体传感器技术领域。由在陶瓷片的上表面印刷的一对叉指结构的U形金电极作为信号电极，在陶瓷片下表面平铺印刷的二氧化钌膜作为加热层，在二氧化钌膜的表面印刷的一对条形金电极作为加热电极，在陶瓷片的上表面和U形金电极的表面涂覆的气体敏感薄膜组成；该气体敏感薄膜为石墨化碳化氮/二氧化锡复合材料，薄膜的厚度为10～50μm；所述石墨化碳化氮/二氧化锡复合材料中，石墨化碳化氮与二氧化锡的质量比为1：0.02～43。传感器具有很高的响应灵敏度、快速的响应恢复速率和良好的响应可逆性，解决了纯态金属氧化物对丙酮响应差的问题。
Description
技术领域
本发明属于气体传感器技术领域，具体涉及一种对丙酮具有良好气敏响应特性的石墨化碳化氮基电阻型丙酮传感器及其制作方法，特别是涉及一种基于石墨化碳化氮/二氧化锡复合材料的电阻型丙酮传感器、制作方法及其在检测丙酮中的应用。
背景技术
随着工农业生产的发展和城市生活水平的提高，环境污染问题越来越突出。丙酮作为一种典型的有毒有害气体，不仅是合成有机化合物的重要原料，还是有机合成、化工生产等工业过程中常用的溶剂。尤其是丙酮具有强的挥发性，大规模的使用丙酮对人类的身体健康和生产生活环境带来了严重的危害。因此，对大气环境中的丙酮进行准确、连续地检测成为亟待解决的问题，这就为丙酮传感器的应用提供了广阔的空间。丙酮传感器是化学传感器中比较重要的一类传感器，在工农业生产、过程控制、环境监测与保护等领域有着广泛的应用。研制具有高灵敏度、低成本、低功耗、小型化等优点的高性能丙酮传感器成为科研领域和产业界的研究热点。其中，敏感材料是丙酮传感器的核心，提高丙酮传感器性能的关键是开发具有优异敏感特性的气敏材料。目前，以二氧化锡、氧化锌为代表的半导体氧化物成为使用最为广泛的一类敏感材料，其具有制备方便、成本低廉、来源广泛等优点，但同时也存在一些不足，例如，纯态氧化物活性较差，受湿度影响较大，稳定性较差，选择性不够理想等。近年来，以石墨烯为代表的二维碳基纳米材料发展迅速，成为材料界研究的热点。石墨烯具有良好的导电性和快的载流子迁移率为开发高性能气体传感器提供了新的思路。研究发现石墨烯及其复合材料确实可以实现检测气体，但是，由于石墨烯与丙酮分子间没有相互作用力，石墨烯基敏感材料无法实现检测丙酮。尽管将石墨烯作为掺杂剂调控金属氧化物的结构，可以在加热条件下实现丙酮检测，然而石墨烯差的热稳定性限制其广泛应用与推广。石墨化碳化氮具有与石墨烯类似的二维层状结构，是由碳原子和氮原子按照一定比例构成的。与石墨烯相比，石墨化碳化氮具有良好的热稳定性，有望实现加热条件下的高灵敏丙酮检测。此外，石墨化碳化氮还具有制备简单、成本低、结构易于调控等优点，这都为高性能丙酮传感器的设计与开发提供了有利的条件。因此，开发基于石墨化碳化氮的丙酮传感器成为气体传感器领域研究的重要方向之一，在工业过程、环境保护等领域有着重要的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高灵敏度丙酮响应特性的石墨化碳化氮/二氧化锡复合材料的电阻型丙酮传感器、制作方法及其在检测丙酮中的应用。
本发明所述的基于石墨化碳化氮/二氧化锡复合材料的电阻型丙酮传感器，在陶瓷片的上表面印刷的一对叉指结构的U形金电极作为信号电极，U形金电极的宽度为200～300μm，厚度为10～30μm；在陶瓷片下表面平铺印刷的二氧化钌膜作为加热层，二氧化钌膜的厚度为20～30μm；在二氧化钌膜的表面印刷的一对条形金电极作为加热电极，条形金电极的宽度为400～500μm，厚度为10～30μm；在U形金电极和条形金电极上分别连接有引线，在陶瓷片的上表面和U形金电极的表面涂覆的气体敏感薄膜，该气体敏感薄膜为石墨化碳化氮/二氧化锡复合材料，薄膜的厚度为10～50μm；在条形金电极间通入电流使器件工作一定温度；气体敏感薄膜接触待测气体前后，其电阻会发生变化，通过测量U形金电极对间电阻的变化，可以获得传感器的灵敏度。
所述石墨化碳化氮/二氧化锡复合材料中，石墨化碳化氮与二氧化锡的质量比为1：0.02～43，复合材料为三维多孔结构，孔直径为5～20nm，BET比表面积为100～250m2/g。
本发明所述的石墨化碳化氮/二氧化锡复合材料电阻型丙酮传感器的制备方法，其步骤如下：
(1)以陶瓷片为衬底，采用丝网印刷法在陶瓷片的上表面印刷一对叉指结构的U型金电极，该金电极的宽度为200～300μm，厚度为10～30μm；在陶瓷片的下表面平铺印刷有二氧化钌膜作为加热层，二氧化钌膜的厚度为20～30μm；在二氧化钌膜的表面印刷有一对条形金电极作为加热电极，该金电极的宽度为400～500μm，厚度为10～30μm；
(2)用乙醇、水依次超声清洗步骤(1)得到的陶瓷片的上表面及U型金电极表面，烘干；
(3)配制浓度为0.1mg/mL～5mg/mL的碳化氮水溶液，然后加入四氯化锡，超声分散使其混合充分，制得碳化氮/四氯化锡复合溶液，碳化氮与四氯化锡的重量比为1：0.046～100；将上述复合溶液在180～200℃下水热处理10～20小时，制得碳化氮/二氧化锡复合材料溶液；将上述溶液进行离心分离，离心产物经水洗、烘干后得到碳化氮/二氧化锡复合材料，复合材料中碳化氮与二氧化锡的质量比为1：0.02～43；
(4)将步骤(3)制备的碳化氮/二氧化锡复合材料分散到水中，复合材料水溶液的浓度为1～10mg/mL；将该溶液悬涂到步骤(2)制备的具有一对U形金电极的陶瓷片表面，然后在80～130℃下热处理1～4小时，薄膜的厚度为10～50μm，从而制得碳化氮/二氧化锡复合材料的电阻型丙酮传感器。
本发明所制备的气体传感器用于丙酮的响应，丙酮的浓度不大于10ppm，优选不大于5ppm，其灵敏度为4.5。
本发明的优点是：
1)本发明所制备的碳化氮/二氧化锡复合材料具有三维多孔结构，具有大的比表面积，使得传感器具有很高的响应灵敏度、快速的响应恢复速率和良好的响应可逆性。
2)采用水热合成法制备碳化氮/二氧化锡复合材料，方法简单，易于操作，成本低廉。而且可以通过控制反应温度、反应时间以及反应前驱物的比例等实验参数实现碳化氮基复合材料的组成、结构等性能的调控。
3)复合材料前驱体中碳化氮的引入，为二氧化锡纳米粒子的生长提供了良好的载体，通过碳化氮的模板效应，有效地控制二氧化锡的生长，获得了尺寸较小的二氧化锡纳米粒子。二氧化锡纳米粒子的存在，有效地阻碍碳化氮之间的团聚，使得获得的材料具有较大的比表面积，有利于检测气体在敏感材料中的吸附和扩散，有利于提高传感器的响应灵敏度。
4)复合材料中碳化氮和二氧化锡之间可以形成异质结构，调控敏感材料的半导体结构，进一步提升传感器的敏感性能。
5)采用水热合成法在碳化氮表面原位生成二氧化锡纳米粒子，可以显著地提高二氧化锡与碳化氮的接触，提高材料的电子传输速率，有利于提升传感器的性能。制备的复合材料溶液可以采用滴涂等方法在陶瓷片和U形金电极上成膜，易于加工，可以方便地制备气体传感器。
附图说明
图1是本发明的丙酮气体传感器的结构示意图。
各部分名称为：陶瓷片1，在陶瓷片1表面印刷的一对叉指结构的U形金电极2，在陶瓷片1反面沉积的二氧化钌加热层3，在二氧化钌3表面印刷的一对条形金电极4，在陶瓷片和U形金电极表面涂覆的气体敏感薄膜5(本发明所述的碳化氮/二氧化锡复合材料)，在U形金电极和条形金电极分别上连接的引线6、7和8、9。
图2是碳化氮材料的X射线衍射图谱。
图3是碳化氮/二氧化锡复合材料的不同放大倍数的扫描电镜照片。
图4是碳化氮/二氧化锡复合材料丙酮传感器对不同浓度丙酮的动态响应恢复曲线。
图5是碳化氮/二氧化锡复合材料丙酮传感器对不同浓度丙酮的响应灵敏度(灵敏度定义为传感器在空气中和在丙酮气体中，U形金电极间电阻的比值)随气体浓度变化曲线。
图6是碳化氮/二氧化锡复合材料丙酮传感器对100ppm丙酮的响应重复性曲线。
图7是实施例2制备的中碳化氮/二氧化锡复合材料丙酮传感器对100ppm丙酮的响应恢复曲线。
图8是实施例制备的3中碳化氮/二氧化锡复合材料丙酮传感器对100ppm丙酮的响应恢复曲线。
具体实施方式
以下结合附图和实施例进一步说明本发明。
实施例1
(1)以陶瓷片为衬底，采用丝网印刷法在陶瓷片的上表面印刷有一对叉指结构的U型金电极，该金电极的宽度为200μm，厚度为10μm；在陶瓷片的下表面平铺印刷一层二氧化钌作为加热层，二氧化钌的厚度为20μm；在二氧化钌层的表面印刷一对条形金电极，该金电极的宽度为400μm，厚度为10μm；
(2)用乙醇、水依次超声清洗步骤(1)得到的陶瓷片的上表面及U型金电极表面，烘干；
(3)配制5mL浓度为0.1mg/mL的碳化氮水溶液，然后加入0.023mg四氯化锡，超声分散使其混合充分，制得碳化氮与四氯化锡复合溶液碳，碳化氮和四氯化锡的重量比为1：0.046；将上述溶液转移到水热反应釜中在180℃下水热处理20小时，制得碳化氮/二氧化锡复合材料溶液；将上述溶液进行离心分离、离心产物经水洗、烘干后，获得碳化氮/二氧化锡复合材料；产物质量是0.51mg。
所得到的二元复合材料中碳化氮：二氧化锡的重量比例为1：0.02，二元复合材料为三维多孔结构，孔尺寸为5nm，BET比表面积为250m2/g。
(4)将步骤(3)制备的碳化氮/二氧化锡复合材料分散到水中，制备碳化氮/二氧化锡二元复合材料的水溶液，复合材料的浓度为1mg/mL；将上述溶液滴涂到步骤(2)的具有U形金电极的陶瓷片衬底上表面，在80℃下热处理4小时获得敏感材料薄膜，薄膜的厚度为10μm，制得基于碳化氮/二氧化锡复合材料的电阻型丙酮气体传感器。
实施例2
(1)以陶瓷片为衬底，采用丝网印刷法在陶瓷片的上表面印刷一对叉指结构的U型金电极，该金电极宽度为200μm，厚度为10μm；在陶瓷片的下表面平铺印刷一层二氧化钌作为加热层，二氧化钌的厚度为30μm；在二氧化钌层的表面印刷一对条形金电极，该金电极的宽度为500μm，厚度为10μm；
(2)用乙醇、水依次超声清洗步骤(1)得到的陶瓷片的上表面及U型金电极表面，烘干；
(3)配制5mL浓度为0.1mg/mL的碳化氮水溶液，然后加入0.115mg四氯化锡，超声分散使其混合充分，制得碳化氮与四氯化锡复合溶液碳，碳化氮和四氯化锡的重量比为1：0.23；将上述溶液转移到水热反应釜中在180℃下水热处理15小时，制得碳化氮/二氧化锡复合材料溶液；将上述溶液进行离心分离、离心产物经水洗、烘干后，获得碳化氮/二氧化锡复合材料；产物质量是0.55mg。
所得到的二元复合材料中碳化氮：二氧化锡的重量比例为1：0.1，二元复合材料为三维多孔结构，孔尺寸为5nm，BET比表面积为200m2/g。
(4)将步骤(3)制备的碳化氮/二氧化锡复合材料分散到水中，制备碳化氮/二氧化锡二元复合材料的水溶液，复合材料的浓度为2.5mg/mL；将上述溶液滴涂到步骤(2)的具有U形金电极的陶瓷片衬底上表面，在100℃下热处理3小时获得敏感材料薄膜，薄膜的厚度为20μm，制得基于碳化氮/二氧化锡复合材料的电阻型丙酮气体传感器。
实施例3
(1)以陶瓷片为衬底，采用丝网印刷法在陶瓷片的上表面印刷一对叉指结构的U型金电极，该金电极宽度为250μm，厚度为20μm；在陶瓷片的下表面平铺印刷一层二氧化钌作为加热层，二氧化钌的厚度为20μm；在二氧化钌层的表面印刷一对条形金电极，该金电极的宽度为400μm，厚度为20μm；
(2)用乙醇、水依次超声清洗步骤(1)得到的陶瓷片的上表面及U型金电极表面，烘干；
(3)配制5mL浓度为0.3mg/mL的碳化氮水溶液，然后加入3.495mg四氯化锡，超声分散使其混合充分，制得碳化氮与四氯化锡复合溶液碳，碳化氮和四氯化锡的重量比为1：2.33；将上述溶液转移到水热反应釜中在180℃下水热处理10小时，制得碳化氮/二氧化锡复合材料溶液；将上述溶液进行离心分离、离心产物经水洗、烘干后，获得碳化氮/二氧化锡复合材料；产物质量是3mg。
所得到的二元复合材料中碳化氮：二氧化锡的重量比例为1：1，二元复合材料为三维多孔结构，孔尺寸为10nm，BET比表面积为150m2/g。
(4)将步骤(3)制备的碳化氮/二氧化锡复合材料分散到水中，制备碳化氮/二氧化锡二元复合材料的水溶液，复合材料的浓度为5mg/mL；将上述溶液滴涂到步骤(2)的具有U形金电极的陶瓷片衬底上表面，在100℃下热处理2小时获得敏感材料薄膜，薄膜的厚度为30μm，制得基于碳化氮/二氧化锡复合材料的电阻型丙酮气体传感器。
实施例4
(1)以陶瓷片为衬底，采用丝网印刷法在陶瓷片的上表面印刷一对叉指结构的U型金电极，该金电极宽度为250μm，厚度为20μm；在陶瓷片的下表面平铺印刷一层二氧化钌作为加热层，二氧化钌的厚度为30μm；在二氧化钌层的表面印刷一对条形金电极，该金电极的宽度为500μm，厚度为20μm；
(2)用乙醇、水依次超声清洗步骤(1)得到的陶瓷片的上表面及U型金电极表面，烘干；
(3)配制5mL浓度为0.3mg/mL的碳化氮水溶液，然后加入34.89mg四氯化锡，超声分散使其混合充分，制得碳化氮与四氯化锡复合溶液碳，碳化氮和四氯化锡的重量比为1：23.26；将上述溶液转移到水热反应釜中在200℃下水热处理20小时，制得碳化氮/二氧化锡复合材料溶液；将上述溶液进行离心分离、离心产物经水洗、烘干后，获得碳化氮/二氧化锡复合材料；产物质量是16.5mg。
所得到的二元复合材料中碳化氮：二氧化锡的重量比例为1：10，二元复合材料为三维多孔结构，孔尺寸为15nm，BET比表面积为125m2/g。
(4)将步骤(3)制备的碳化氮/二氧化锡复合材料分散到水中，制备碳化氮/二氧化锡二元复合材料的水溶液，复合材料的浓度为7.5mg/mL；将上述溶液滴涂到步骤(2)的具有U形金电极的陶瓷片衬底上表面，在120℃下热处理2小时获得敏感材料薄膜，薄膜的厚度为40μm，制得基于碳化氮/二氧化锡复合材料的电阻型丙酮气体传感器。
实施例5
(1)以陶瓷片为衬底，采用丝网印刷法在陶瓷片的上表面印刷一对叉指结构的U型金电极，该金电极宽度为300μm，厚度为30μm；在陶瓷片的下表面平铺印刷一层二氧化钌作为加热层，二氧化钌的厚度为20μm；在二氧化钌层的表面印刷一对条形金电极，该金电极的宽度为400μm，厚度为30μm；
(2)用乙醇、水依次超声清洗步骤(1)得到的陶瓷片的上表面及U型金电极表面，烘干；
(3)配制5mL浓度为0.5mg/mL的碳化氮水溶液，然后加入116.3mg四氯化锡，超声分散使其混合充分，制得碳化氮与四氯化锡复合溶液碳，碳化氮和四氯化锡的重量比为1：46.53；将上述溶液转移到水热反应釜中在200℃下水热处理15小时，制得碳化氮/二氧化锡复合材料溶液；将上述溶液进行离心分离、离心产物经水洗、烘干后，获得碳化氮/二氧化锡复合材料；产物质量是52.5mg。
所得到的二元复合材料中碳化氮：二氧化锡的重量比例为1：20，二元复合材料为三维多孔结构，孔尺寸为15nm，BET比表面积为120m2/g。
(4)将步骤(3)制备的碳化氮/二氧化锡复合材料分散到水中，制备碳化氮/二氧化锡二元复合材料的水溶液，复合材料的浓度为7.5mg/mL；将上述溶液滴涂到步骤(2)的具有U形金电极的陶瓷片衬底上表面，在120℃下热处理2小时获得敏感材料薄膜，薄膜的厚度为40μm，制得基于碳化氮/二氧化锡复合材料的电阻型丙酮气体传感器。
实施例6
(1)以陶瓷片为衬底，采用丝网印刷法在陶瓷片的上表面印刷一对叉指结构的U型金电极，该金电极宽度为300μm，厚度为30μm；在陶瓷片的下表面平铺印刷一层二氧化钌作为加热层，二氧化钌的厚度为30μm；在二氧化钌层的表面印刷一对条形金电极，该金电极的宽度为500μm，厚度为30μm；
(2)用乙醇、水依次超声清洗步骤(1)得到的陶瓷片的上表面及U型金电极表面，烘干；
(3)配制5mL浓度为0.5mg/mL的碳化氮水溶液，然后加入250mg四氯化锡，超声分散使其混合充分，制得碳化氮与四氯化锡复合溶液碳，碳化氮和四氯化锡的重量比为1：100；将上述溶液转移到水热反应釜中在200℃下水热处理10小时，制得碳化氮/二氧化锡复合材料溶液；将上述溶液进行离心分离、离心产物经水洗、烘干后，获得碳化氮/二氧化锡复合材料；产物质量是110mg。
所得到的二元复合材料中碳化氮：二氧化锡的重量比例为1：43，二元复合材料为三维多孔结构，孔尺寸为20nm，BET比表面积为100m2/g。
(4)将步骤(3)制备的碳化氮/二氧化锡复合材料分散到水中，制备碳化氮/二氧化锡二元复合材料的水溶液，复合材料的浓度为10mg/mL；将上述溶液滴涂到步骤(2)的具有U形金电极的陶瓷片衬底上表面，在130℃下热处理1小时获得敏感材料薄膜，薄膜的厚度为50μm，制得基于碳化氮/二氧化锡复合材料的电阻型丙酮气体传感器。
实施例1-6中使用的石墨化碳化氮材料的X射线衍射图谱如图2所示，由图2可以看出材料在27.7°具有一个强的衍射峰、在13.38°具有一个弱的衍射峰，这两个衍射峰归属于石墨化碳化氮的特征衍射峰，证明复合材料确实是由石墨化碳化氮构成。
实施例1制备的碳化氮/二氧化锡复合材料的扫描电镜照片如图3所示，由图3可以看出，复合材料是由大量的纳米粒子团聚体构成，可以明显的看出是由碳化氮和二氧化锡两种不同纳米粒子构成。扫描电镜照片说明制备的碳化氮/二氧化锡复合材料具有三维纳米结构，其比表面积很大，经测定达到250m2/g，孔直径是5nm。
实施例1制备的基于碳化氮/二氧化锡复合材料的丙酮气体传感器在对不同浓度丙酮的响应恢复曲线见图4。可以看出，制备的碳化氮基丙酮传感器对不同浓度的丙酮具有很高、很快的响应，响应时间小于30秒，而且传感器具有很好的可逆性。
实施例1制备的基于碳化氮/二氧化锡复合材料的气体传感器对不同浓度丙酮的响应灵敏度曲线见图5。可以看出，传感器对低浓度的丙酮具有较高的灵敏度，对于5ppm丙酮达到4.5。
实施例1制备的基于碳化氮/二氧化锡复合材料的气体传感器对100ppm丙酮的响应重复性曲线见图6。可以看出，经过丙酮-空气多个循环测试，其响应曲线几乎不变，表明该传感器具有良好的响应重复性。
实施例2制备的基于碳化氮/二氧化锡复合材料的丙酮气体传感器在对100ppm丙酮的响应恢复曲线见图7。可以看出，制备的碳化氮基丙酮传感器对丙酮具有很高、很快的响应，响应时间小于30秒。
实施例3制备的基于碳化氮/二氧化锡复合材料的丙酮气体传感器在对100ppm丙酮的响应恢复曲线见图8。可以看出，制备的碳化氮基丙酮传感器对丙酮同样表现出优异的敏感性能。
Claims (6)
1.一种基于石墨化碳化氮/二氧化锡复合材料的电阻型丙酮传感器，其特征在于：由在陶瓷片的上表面印刷的一对叉指结构的U形金电极作为信号电极，在陶瓷片下表面平铺印刷的二氧化钌膜作为加热层，在二氧化钌膜的表面印刷的一对条形金电极作为加热电极，在陶瓷片的上表面和U形金电极的表面涂覆的气体敏感薄膜组成；该气体敏感薄膜为石墨化碳化氮/二氧化锡复合材料，薄膜的厚度为10～50μm；所述石墨化碳化氮/二氧化锡复合材料中，石墨化碳化氮与二氧化锡的质量比为1：0.02～43，复合材料为三维多孔结构，孔直径为5～20nm，BET比表面积为100～250m2/g。
2.如权利要求1所述的一种基于石墨化碳化氮/二氧化锡复合材料的电阻型丙酮传感器，其特征在于：U型金电极的宽度为200～300μm，厚度为10～30μm，二氧化钌膜的厚度为20～30μm，条形金电极的宽度为400～500μm，厚度为10～30μm。
3.权利要求1或2所述的一种基于石墨化碳化氮/二氧化锡复合材料的电阻型丙酮传感器的制备方法，其步骤如下：
(1)以陶瓷片为衬底，采用丝网印刷法在陶瓷片的上表面印刷一对叉指结构的U型金电极，在陶瓷片的下表面平铺印刷有二氧化钌膜作为加热层，在二氧化钌膜的表面印刷有一对条形金电极作为加热电极；
(2)用乙醇、水依次超声清洗步骤(1)得到的陶瓷片的上表面及U型金电极表面，烘干；
(3)配制浓度为0.1mg/mL～5mg/mL的碳化氮水溶液，然后加入四氯化锡，超声分散使其混合充分，制得碳化氮/四氯化锡复合溶液，碳化氮与四氯化锡的重量比为1：0.046～100；将上述复合溶液在180～200℃下水热处理10～20小时，制得碳化氮/二氧化锡复合材料溶液；将上述溶液进行离心分离，离心产物经水洗、烘干后得到碳化氮/二氧化锡复合材料，复合材料中碳化氮与二氧化锡的质量比为1：0.02～43；
(4)将步骤(3)制备的碳化氮/二氧化锡复合材料分散到水中，复合材料水溶液的浓度为1～10mg/mL；将该溶液悬涂到步骤(2)制备的陶瓷片表面，然后在80～130℃下热处理1～4小时，薄膜的厚度为10～50μm，从而制得石墨化碳化氮/二氧化锡复合材料的电阻型丙酮传感器。
4.权利要求1或2所述所述的一种基于石墨化碳化氮/二氧化锡复合材料的电阻型丙酮传感器在检测丙酮方面的应用。
5.如权利要求4所述的一种基于石墨化碳化氮/二氧化锡复合材料的电阻型丙酮传感器在检测丙酮方面的应用，其特征在于：丙酮的浓度不大于10ppm。
6.如权利要求5所述的一种基于石墨化碳化氮/二氧化锡复合材料的电阻型丙酮传感器在检测丙酮方面的应用，其特征在于：丙酮的浓度不大于5ppm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710247698.0A CN106872533B (zh) | 2017-04-17 | 2017-04-17 | 一种基于石墨化碳化氮/二氧化锡复合材料的电阻型丙酮传感器、制备方法及其应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710247698.0A CN106872533B (zh) | 2017-04-17 | 2017-04-17 | 一种基于石墨化碳化氮/二氧化锡复合材料的电阻型丙酮传感器、制备方法及其应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN106872533A true CN106872533A (zh) | 2017-06-20 |
| CN106872533B CN106872533B (zh) | 2020-02-04 |
Family
ID=59163044
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710247698.0A Expired - Fee Related CN106872533B (zh) | 2017-04-17 | 2017-04-17 | 一种基于石墨化碳化氮/二氧化锡复合材料的电阻型丙酮传感器、制备方法及其应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN106872533B (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108408068A (zh) * | 2018-02-08 | 2018-08-17 | 深圳智达机械技术有限公司 | 安装于无人机的通用型大气环境监测吊舱 |
| CN109342522A (zh) * | 2018-10-16 | 2019-02-15 | 吉林大学 | 一种基于聚吡咯/石墨烯复合材料的电阻型nh3传感器、制备方法及其应用 |
| CN109342523A (zh) * | 2018-10-16 | 2019-02-15 | 吉林大学 | 基于富含氧空位二氧化锡修饰石墨烯复合材料的电阻型no2传感器、制备方法及其应用 |
| CN113433175A (zh) * | 2021-07-05 | 2021-09-24 | 吉林大学 | 一种基于氮掺杂三氧化钼的电阻型有机磷化合物传感器、制备方法及其应用 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104155349A (zh) * | 2014-08-26 | 2014-11-19 | 吉林大学 | In2O3-WO3氧化物半导体丙酮传感器、制备方法及其应用 |
| CN104502417A (zh) * | 2015-01-10 | 2015-04-08 | 吉林大学 | 一种La2O3-WO3氧化物半导体丙酮气体传感器及其制备方法 |
| CN105758994A (zh) * | 2016-02-25 | 2016-07-13 | 济南大学 | 一种基于氮化碳负载锰掺杂二维纳米复合材料的甲醛气体传感器的制备方法及应用 |
| CN105866189A (zh) * | 2016-04-12 | 2016-08-17 | 吉林大学 | 钴掺杂二氧化锡氧化物半导体乙醇传感器、制备方法及其应用 |
| CN106395888A (zh) * | 2016-12-07 | 2017-02-15 | 山东大学 | 一种有机污染物近室温气敏选择性检测的石墨烯相氮化碳氧化锡复合材料及制备方法与应用 |
-
2017
- 2017-04-17 CN CN201710247698.0A patent/CN106872533B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104155349A (zh) * | 2014-08-26 | 2014-11-19 | 吉林大学 | In2O3-WO3氧化物半导体丙酮传感器、制备方法及其应用 |
| CN104502417A (zh) * | 2015-01-10 | 2015-04-08 | 吉林大学 | 一种La2O3-WO3氧化物半导体丙酮气体传感器及其制备方法 |
| CN105758994A (zh) * | 2016-02-25 | 2016-07-13 | 济南大学 | 一种基于氮化碳负载锰掺杂二维纳米复合材料的甲醛气体传感器的制备方法及应用 |
| CN105866189A (zh) * | 2016-04-12 | 2016-08-17 | 吉林大学 | 钴掺杂二氧化锡氧化物半导体乙醇传感器、制备方法及其应用 |
| CN106395888A (zh) * | 2016-12-07 | 2017-02-15 | 山东大学 | 一种有机污染物近室温气敏选择性检测的石墨烯相氮化碳氧化锡复合材料及制备方法与应用 |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108408068A (zh) * | 2018-02-08 | 2018-08-17 | 深圳智达机械技术有限公司 | 安装于无人机的通用型大气环境监测吊舱 |
| CN109342522A (zh) * | 2018-10-16 | 2019-02-15 | 吉林大学 | 一种基于聚吡咯/石墨烯复合材料的电阻型nh3传感器、制备方法及其应用 |
| CN109342523A (zh) * | 2018-10-16 | 2019-02-15 | 吉林大学 | 基于富含氧空位二氧化锡修饰石墨烯复合材料的电阻型no2传感器、制备方法及其应用 |
| CN113433175A (zh) * | 2021-07-05 | 2021-09-24 | 吉林大学 | 一种基于氮掺杂三氧化钼的电阻型有机磷化合物传感器、制备方法及其应用 |
| CN113433175B (zh) * | 2021-07-05 | 2022-04-05 | 吉林大学 | 一种基于氮掺杂三氧化钼的电阻型有机磷化合物传感器、制备方法及其应用 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106872533B (zh) | 2020-02-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Shaban et al. | Design and application of nanoporous graphene oxide film for CO2, H2, and C2H2 gases sensing | |
| Kumar et al. | A review on сhemiresistive gas sensors based on carbon nanotubes: device and technology transformation | |
| He et al. | MXene/SnO2 heterojunction based chemical gas sensors | |
| Wu et al. | Improved selectivity and sensitivity of gas sensing using a 3D reduced graphene oxide hydrogel with an integrated microheater | |
| Tammanoon et al. | Ultrasensitive NO2 sensor based on ohmic metal–semiconductor interfaces of electrolytically exfoliated graphene/flame-spray-made SnO2 nanoparticles composite operating at low temperatures | |
| Tian et al. | Pt-decorated zinc oxide nanorod arrays with graphitic carbon nitride nanosheets for highly efficient dual-functional gas sensing | |
| Chen et al. | Nanohybrids of a MXene and transition metal dichalcogenide for selective detection of volatile organic compounds | |
| Molavi et al. | Facile wet chemical synthesis of Al doped CuO nanoleaves for carbon monoxide gas sensor applications | |
| Ramachandran et al. | 2D siloxene sheets: A novel electrochemical sensor for selective dopamine detection | |
| Tian et al. | Ultrathin graphitic carbon nitride nanosheets: a low-cost, green, and highly efficient electrocatalyst toward the reduction of hydrogen peroxide and its glucose biosensing application | |
| Penza et al. | Functional characterization of carbon nanotube networked films functionalized with tuned loading of Au nanoclusters for gas sensing applications | |
| Lu et al. | Facile synthesis of novel Ni (II)-based metal–organic coordination polymer nanoparticle/reduced graphene oxide nanocomposites and their application for highly sensitive and selective nonenzymatic glucose sensing | |
| Lu et al. | CuO nanoparticles/nitrogen-doped carbon nanofibers modified glassy carbon electrodes for non-enzymatic glucose sensors with improved sensitivity | |
| Li et al. | In-situ grown nanostructured ZnO via a green approach and gas sensing properties of polypyrrole/ZnO nanohybrids | |
| Li et al. | Poly (ionic liquid)-wrapped single-walled carbon nanotubes for sub-ppb detection of CO2 | |
| Shooshtari et al. | Effect of humidity on gas sensing performance of carbon nanotube gas sensors operated at room temperature | |
| Li et al. | Ultrahigh humidity sensitivity of graphene oxide combined with Ag nanoparticles | |
| CN106872533A (zh) | 一种基于石墨化碳化氮/二氧化锡复合材料的电阻型丙酮传感器、制备方法及其应用 | |
| CN109342522B (zh) | 一种基于聚吡咯/石墨烯复合材料的电阻型nh3传感器、制备方法及其应用 | |
| Liang et al. | NO2 gas sensing performance of a VO2 (B) ultrathin vertical nanosheet array: experimental and DFT investigation | |
| Ma et al. | Highly sensitive room-temperature NO2 gas sensors based on three-dimensional multiwalled carbon nanotube networks on SiO2 nanospheres | |
| CN104849324B (zh) | 一种基于石墨烯/多壁碳纳米管/氧化锌复合材料的电阻型气体传感器及制作方法 | |
| CN109342523B (zh) | 一种电阻型no2传感器、制备方法及其应用 | |
| Li et al. | NO2-sensing properties based on the nanocomposite of n-WO3− x/n-porous silicon at room temperature | |
| Sun et al. | A novel silicon carbide nanosheet for high‐performance humidity sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20200204 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |