CN107315036A - 一种基于SnO2复合纳米纤维的乙醇气体传感器 - Google Patents

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    • G01N27/127—Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer comprising nanoparticles

Abstract

本发明涉及一种基于SnO2复合纳米纤维的乙醇气体传感器，该气体传感器为旁热式结构，其中，敏感材料为静电纺丝法制备的SnO2复合纳米纤维，所述SnO2复合纳米纤维中包括SnO2多孔空心球、ZnO纳米线；或者，所述SnO2多孔空心球掺杂有WO3。

Description

一种基于SnO2复合纳米纤维的乙醇气体传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于SnO2复合纳米纤维的乙醇气体传感器。
背景技术
近年来由于科技的发展，现代工业化程度的不断提高，在生产过程中使用的气体以及在生产过程中生成的气体的种类、数量也在增多，其中，很多气体是易燃易爆的，或者很多气体是有毒气体，为了安全起见，就必须对气体在使用、运输、储存等方面加强监测，因此，传感器中，气体传感器应用领域广泛，应用前景广阔。
传感器通常是由敏感元件、转换元件和测量电路组成。其中，敏感元件是能够直接感受被测量并将其转换为与被测量有确定关系的电量或易变成电量的物理量的元件。
其中，敏感元件/材料是传感器制作的核心，同时也是传感器研制、优化和商业的基础，敏感材料种类繁多，其中，半导体材料是目前应用最广泛的敏感材料，随着纳米科学技术的兴起，纳米材料在传感器领域的应用成为研究热点。
发明内容
本发明旨在提供一种基于SnO2复合纳米纤维的乙醇气体传感器，以解决上述提出问题。
本发明的实施例中提供了一种基于SnO2复合纳米纤维的乙醇气体传感器，该气体传感器为旁热式结构，包括：由外表面自带有2个平行且分立的环形金电极的氧化铝陶瓷管、涂覆在陶瓷管表面的敏感材料、穿过陶瓷管的镍铬合金加热线圈组成，每个金电极上连接有两根铂丝引脚；该敏感材料为静电纺丝法制备的SnO2复合纳米纤维，所述SnO2复合纳米纤维中包括SnO2多孔空心球、ZnO纳米线。
优选地，所述敏感材料中包括的SnO2多孔空心球掺杂有WO3，WO3与SnO2质量比为1:67。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明的传感器为旁热式结构，其敏感材料为静电纺丝法制备的SnO2复合纳米纤维，该SnO2复合纳米纤维中包括SnO2多孔空心球、ZnO纳米线；本发明技术方案中，将SnO2多孔空心球、ZnO纳米线混合制备成了SnO2复合纳米纤维，由此作为敏感材料的传感器具有灵敏性高、响应迅速的优点。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明乙醇气体传感器的结构示意图，
其中，21-环形金电极，22-氧化铝陶瓷管，23-敏感材料，24-镍铬合金加热线圈，25-铂丝。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本发明的技术方案涉及一种基于SnO2复合纳米纤维的乙醇气体传感器，结合图1，该气体传感器为旁热式结构，包括：由外表面自带有2个平行且分立的环形金电极21的氧化铝陶瓷管22、涂覆在陶瓷管22表面的敏感材料23、穿过陶瓷管22的镍铬合金加热线圈24组成，每个金电极21上连接有两根铂丝25引脚。
上述的敏感材料23为静电纺丝法制备的SnO2复合纳米纤维，其中包括SnO2多孔空心球、ZnO纳米线。
静电纺丝是一种制备纳米材料的简便方法，由静电纺丝制备的一维纳米材料在纳电子器件、催化剂、传感器等领域具有实际应用。特别是，在传感器领域，电纺丝技术制备的敏感材料，具有大的比表面积而且纤维具备微孔结构，这些特征都与利于其作为敏感材料对于气体的响应。
而具体到SnO2基气体传感器，目前技术方案中，采用静电纺丝法制备SnO2复合纳米纤维作为敏感材料的技术方案不多；本发明技术方案中，将SnO2多孔空心球、ZnO纳米线混合制备成了SnO2复合纳米纤维，由此作为敏感材料的传感器具有灵敏性高、响应迅速的优点。
上述的敏感材料中包括SnO2多孔空心球，该SnO2多孔空心球是以碳胶球为模板、水热法制备的，该SnO2多孔空心球的粒径为200nm，其是由大量纳米颗粒构成的多孔壳层结构。
SnO2是一种n型宽禁带半导体材料，具有独特的光学、催化、电学性能，其在传感器、太阳能电池、锂电池、催化剂及透明导电电极等领域具有广泛应用；其是一种最早被开发的金属氧化物气体敏感材料，SnO2因具有成本低、稳定性好、灵敏度高等优点而受到关注，随着纳米技术的发展，对各种纳米结构的SnO2材料研究增多。本发明中，利用水热法制备的碳胶球具有亲水性，表面具有-OH和C-O功能团，这些功能团的存在使金属离子很容易与碳胶球结合，形成金属的氢氧化物并分布其表面，然后，经过高温煅烧，碳胶球中的碳原子被氧化以二氧化碳的形式释放，从而形成金属氧化物空心球，即SnO2多孔空心球，其多孔壳层结构有利于对气体的吸附，增加了敏感材料的灵敏度。
上述的敏感材料中包括ZnO纳米线，该ZnO纳米线长度为500nm，直径为20～50nm。
ZnO在光学、电学、催化等方面性能独特，在传感器、太阳能电池、锂电池、催化等领域都有着实际应用，本发明技术方案中，将上述的SnO2多孔空心球和ZnO纳米线结合，采用静电纺丝法制备复合纳米纤维，在该纤维中，该ZnO纳米线对分立的SnO2多孔空心球起到连接作用，能够形成载流子的导电通路，同时由于ZnO同样是n型宽禁带半导体材料，两者禁带宽度相近，大大提高了复合纳米纤维的电导率，使得传感器的响应时间减小。
然后将上述的SnO2多孔空心球、ZnO纳米线按比例混合后，加入到聚乙烯醇溶液中，得到纺丝溶液，进行静电纺丝，得到复合纤维膜，将其煅烧去除聚乙烯醇后，得到复合纳米纤维。
优选地，上述纺丝溶液中，聚乙烯醇质量百分比为9wt.％。
优选地，上述复合纳米纤维中，SnO2多孔空心球、ZnO纳米线的质量比为4:1。
在另一种优选实施方式中，上述敏感材料中包括的SnO2多孔空心球掺杂有WO3，其中，WO3与SnO2质量比为1:67。
如上所述，目前对各种纳米结构的SnO2材料研究增多，对该材料的研究主要是通过各种手段提高传感器性能方面，掺杂的金属或金属氧化物主要有Zn、Pt、CuO、ZnO等，而掺杂WO3的技术方案不多；本发明中，通过掺杂，制备了WO3掺杂的SnO2多孔空心球，该掺杂的WO3与ZnO纳米线协同作用，对传感器的灵敏度和响应时间起到积极作用。
为了得到上述敏感材料，本发明还涉及该SnO2复合纳米纤维的制备步骤：
步骤1、水热法制备碳胶球
将9g葡萄糖加入到50ml去离子水中搅拌均匀，然后将溶液移入水热釜中，在干燥箱180℃恒温下加热8h，反应结束后，自然冷却至室温，依次用酒精和去离子水离心分离、洗涤，重复洗涤三遍后，得到黑褐色产物碳胶球，将其在60℃干燥12h备用；
步骤2、制备WO3掺杂SnO2多孔空心球
将3.82mmol的钨酸和氯化锡加入到60ml乙醇与8ml水的混合液中搅拌均匀，形成溶液A，然后向溶液A中加入35mmol尿素，搅拌均匀形成溶液B，将上述制备的32mmol碳胶球加入溶液B，超声分散2h，将所得溶液静置30h，离心分离，洗涤，在80℃干燥12h，最后将干燥后的产物在580℃下干燥2h，得到WO3掺杂SnO2多孔空心球；
步骤3、制备纺丝溶液
取0.8g聚乙烯醇放入装有10g蒸馏水的锥形瓶中，在保温90℃下不断搅拌，使之完全溶解，自然冷却至室温；然后加入ZnO纳米线和上述得到的WO3掺杂SnO2多孔空心球，继续搅拌6h，得到纺丝溶液；
步骤4、静电纺丝
将上述纺丝溶液装入喷丝管中，***一根10cm的铜丝作为正极，铝箔作为接收板，为负极，静电纺丝时所加电压为17kV，喷丝头与接收板之间距离为18cm，进行静电纺丝，得到WO3掺杂SnO2多孔空心球/ZnO纳米线/聚乙烯醇复合纤维膜；
步骤5、煅烧
将上述复合纤维膜在700℃下退火处理5h，以去除高分子聚乙烯醇，得到SnO2复合纳米纤维。
然后，将上述SnO2复合纳米纤维配置成浆料后，涂覆在陶瓷管表面，制备电极后，即得本发明所述一种基于SnO2复合纳米纤维的乙醇气体传感器。
实施例1
本实施例中，该敏感材料为静电纺丝法制备的SnO2复合纳米纤维，其中包括SnO2多孔空心球、ZnO纳米线。
该SnO2复合纳米纤维的制备步骤：
步骤1、水热法制备碳胶球
将9g葡萄糖加入到50ml去离子水中搅拌均匀，然后将溶液移入水热釜中，在干燥箱180℃恒温下加热8h，反应结束后，自然冷却至室温，依次用酒精和去离子水离心分离、洗涤，重复洗涤三遍后，得到黑褐色产物碳胶球，将其在60℃干燥12h备用；
步骤2、制备SnO2多孔空心球
将3.82mmol氯化锡加入到60ml乙醇与8ml水的混合液中搅拌均匀，形成溶液A，然后向溶液A中加入35mmol尿素，搅拌均匀形成溶液B，将上述制备的32mmol碳胶球加入溶液B，超声分散2h，将所得溶液静置30h，离心分离，洗涤，在80℃干燥12h，最后将干燥后的产物在580℃下干燥2h，得到SnO2多孔空心球；
步骤3、制备纺丝溶液
取0.8g聚乙烯醇放入装有10g蒸馏水的锥形瓶中，在保温90℃下不断搅拌，使之完全溶解，自然冷却至室温；然后加入ZnO纳米线和上述得到的SnO2多孔空心球，继续搅拌6h，得到纺丝溶液；
步骤4、静电纺丝
将上述纺丝溶液装入喷丝管中，***一根10cm的铜丝作为正极，铝箔作为接收板，为负极，静电纺丝时所加电压为17kV，喷丝头与接收板之间距离为18cm，进行静电纺丝，得到SnO2多孔空心球/ZnO纳米线/聚乙烯醇复合纤维膜；
步骤5、煅烧
将上述复合纤维膜在700℃下退火处理5h，以去除高分子聚乙烯醇，得到SnO2复合纳米纤维。
通过改变流过加热线圈的电流来调控传感器的工作温度，通过测量传感器处于不同气体中时两个金电极之间的电阻值可以获得传感器的灵敏度。传感器对于乙醇气体的灵敏度S定义为：S＝Rg/Ra，其中Rg和Ra分别为传感器在乙醇气体和空气中时两金电极间的电阻值，发现，本实施例中该传感器的灵敏度为6.3。
实施例2
本实施例中，该敏感材料为静电纺丝法制备的SnO2复合纳米纤维，其中包括WO3掺杂SnO2多孔空心球、ZnO纳米线。
该SnO2复合纳米纤维的制备步骤：
步骤1、水热法制备碳胶球
将9g葡萄糖加入到50ml去离子水中搅拌均匀，然后将溶液移入水热釜中，在干燥箱180℃恒温下加热8h，反应结束后，自然冷却至室温，依次用酒精和去离子水离心分离、洗涤，重复洗涤三遍后，得到黑褐色产物碳胶球，将其在60℃干燥12h备用；
步骤2、制备WO3掺杂SnO2多孔空心球
将3.82mmol的钨酸和氯化锡加入到60ml乙醇与8ml水的混合液中搅拌均匀，形成溶液A，然后向溶液A中加入35mmol尿素，搅拌均匀形成溶液B，将上述制备的32mmol碳胶球加入溶液B，超声分散2h，将所得溶液静置30h，离心分离，洗涤，在80℃干燥12h，最后将干燥后的产物在580℃下干燥2h，得到WO3掺杂SnO2多孔空心球；
步骤3、制备纺丝溶液
取0.8g聚乙烯醇放入装有10g蒸馏水的锥形瓶中，在保温90℃下不断搅拌，使之完全溶解，自然冷却至室温；然后加入ZnO纳米线和上述得到的WO3掺杂SnO2多孔空心球，继续搅拌6h，得到纺丝溶液；
步骤4、静电纺丝
将上述纺丝溶液装入喷丝管中，***一根10cm的铜丝作为正极，铝箔作为接收板，为负极，静电纺丝时所加电压为17kV，喷丝头与接收板之间距离为18cm，进行静电纺丝，得到WO3掺杂SnO2多孔空心球/ZnO纳米线/聚乙烯醇复合纤维膜；
步骤5、煅烧
将上述复合纤维膜在700℃下退火处理5h，以去除高分子聚乙烯醇，得到SnO2复合纳米纤维。
通过改变流过加热线圈的电流来调控传感器的工作温度，通过测量传感器处于不同气体中时两个金电极之间的电阻值可以获得传感器的灵敏度。传感器对于乙醇气体的灵敏度S定义为：S＝Rg/Ra，其中Rg和Ra分别为传感器在乙醇气体和空气中时两金电极间的电阻值，发现，本实施例中该传感器的灵敏度为9.7。
以上所述仅为本发明的较佳方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于SnO2复合纳米纤维的乙醇气体传感器，该气体传感器为旁热式结构，包括：由外表面自带有2个平行且分立的环形金电极的氧化铝陶瓷管、涂覆在陶瓷管表面的敏感材料、穿过陶瓷管的镍铬合金加热线圈组成，每个金电极上连接有两根铂丝引脚；其特征在于，该敏感材料为静电纺丝法制备的SnO2复合纳米纤维，所述SnO2复合纳米纤维中包括SnO2多孔空心球、ZnO纳米线。
2.根据权利要求1所述的一种基于SnO2复合纳米纤维的乙醇气体传感器，其特征在于，所述SnO2复合纳米纤维的制备过程为：将SnO2多孔空心球、ZnO纳米线按比例混合后，加入到聚乙烯醇溶液中，得到纺丝溶液，进行静电纺丝，得到复合纤维膜，将其煅烧去除聚乙烯醇后，得到所述SnO2复合纳米纤维。
3.根据权利要求2所述的一种基于SnO2复合纳米纤维的乙醇气体传感器，其特征在于，上述纺丝溶液中，聚乙烯醇质量百分比为9wt.％。
4.根据权利要求3所述的一种基于SnO2复合纳米纤维的乙醇气体传感器，其特征在于，所述SnO2复合纳米纤维中，SnO2多孔空心球、ZnO纳米线的质量比为4:1。
5.根据权利要求2所述的一种基于SnO2复合纳米纤维的乙醇气体传感器，其特征在于，该SnO2多孔空心球是以碳胶球为模板、水热法制备的，该SnO2多孔空心球的粒径为200nm，其是由大量纳米颗粒构成的多孔壳层结构；该ZnO纳米线长度为500nm，直径为20～50nm。
6.根据权利要求2所述的一种基于SnO2复合纳米纤维的乙醇气体传感器，其特征在于，该SnO2复合纳米纤维的制备步骤：
步骤1、水热法制备碳胶球
将9g葡萄糖加入到50ml去离子水中搅拌均匀，然后将溶液移入水热釜中，在干燥箱180℃恒温下加热8h，反应结束后，自然冷却至室温，依次用酒精和去离子水离心分离、洗涤，重复洗涤三遍后，得到黑褐色产物碳胶球，将其在60℃干燥12h备用；
步骤2、制备SnO2多孔空心球
将3.82mmol氯化锡加入到60ml乙醇与8ml水的混合液中搅拌均匀，形成溶液A，然后向溶液A中加入35mmol尿素，搅拌均匀形成溶液B，将上述制备的32mmol碳胶球加入溶液B，超声分散2h，将所得溶液静置30h，离心分离，洗涤，在80℃干燥12h，最后将干燥后的产物在580℃下干燥2h，得到SnO2多孔空心球；
步骤3、制备纺丝溶液
取0.8g聚乙烯醇放入装有10g蒸馏水的锥形瓶中，在保温90℃下不断搅拌，使之完全溶解，自然冷却至室温；然后加入ZnO纳米线和上述得到的SnO2多孔空心球，继续搅拌6h，得到纺丝溶液；
步骤4、静电纺丝
将上述纺丝溶液装入喷丝管中，***一根10cm的铜丝作为正极，铝箔作为接收板，为负极，静电纺丝时所加电压为17kV，喷丝头与接收板之间距离为18cm，进行静电纺丝，得到SnO2多孔空心球/ZnO纳米线/聚乙烯醇复合纤维膜；
步骤5、煅烧
将上述复合纤维膜在700℃下退火处理5h，以去除高分子聚乙烯醇，得到SnO2复合纳米纤维。
7.根据权利要求2所述的一种基于SnO2复合纳米纤维的乙醇气体传感器，其特征在于，所述敏感材料中包括的SnO2多孔空心球掺杂有WO3，WO3与SnO2质量比为1:67。
8.根据权利要求7所述的一种基于SnO2复合纳米纤维的乙醇气体传感器，其特征在于，该SnO2复合纳米纤维的制备步骤：
步骤1、水热法制备碳胶球
将9g葡萄糖加入到50ml去离子水中搅拌均匀，然后将溶液移入水热釜中，在干燥箱180℃恒温下加热8h，反应结束后，自然冷却至室温，依次用酒精和去离子水离心分离、洗涤，重复洗涤三遍后，得到黑褐色产物碳胶球，将其在60℃干燥12h备用；
步骤2、制备WO3掺杂SnO2多孔空心球
将3.82mmol的钨酸和氯化锡加入到60ml乙醇与8ml水的混合液中搅拌均匀，形成溶液A，然后向溶液A中加入35mmol尿素，搅拌均匀形成溶液B，将上述制备的32mmol碳胶球加入溶液B，超声分散2h，将所得溶液静置30h，离心分离，洗涤，在80℃干燥12h，最后将干燥后的产物在580℃下干燥2h，得到WO3掺杂SnO2多孔空心球；
步骤3、制备纺丝溶液
取0.8g聚乙烯醇放入装有10g蒸馏水的锥形瓶中，在保温90℃下不断搅拌，使之完全溶解，自然冷却至室温；然后加入ZnO纳米线和上述得到的WO3掺杂SnO2多孔空心球，继续搅拌6h，得到纺丝溶液；
步骤4、静电纺丝
将上述纺丝溶液装入喷丝管中，***一根10cm的铜丝作为正极，铝箔作为接收板，为负极，静电纺丝时所加电压为17kV，喷丝头与接收板之间距离为18cm，进行静电纺丝，得到WO3掺杂SnO2多孔空心球/ZnO纳米线/聚乙烯醇复合纤维膜；
步骤5、煅烧
将上述复合纤维膜在700℃下退火处理5h，以去除高分子聚乙烯醇，得到SnO2复合纳米纤维。
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