CN108918601A - 一种用于检测低浓度丙酮气体的氧化钨复合气敏材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于检测低浓度丙酮气体的氧化钨复合气敏材料，属于气敏材料领域。该复合气敏材料组成是WO3和C3N4，其中C3N4的质量占材料总质量的1‑5％。该复合气敏材料中C3N4的作用是提高了氧化钨对丙酮的气敏灵敏度，降低了氧化钨对甲醛等干扰气体的灵敏度，从而提高材料对丙酮的气敏选择性。以该复合材料作为敏感材料制成的旁热式气敏元件，在工作温度为310℃时，元件对1000ppm丙酮达灵敏度达到61‑83，对0.1ppm丙酮气体的灵敏度达到1.2‑1.6，并且对0.1‑1000ppm丙酮气体的响应时间和恢复时间均不超过60秒，尤其对0.1ppm丙酮响应恢复时间均小于10秒。上述旁热式气敏元件在相同工作温度下对1000ppm的甲醛灵敏度均低于7，对丙酮有高气敏选择性。

Description

一种用于检测低浓度丙酮气体的氧化钨复合气敏材料
技术领域
本发明属于气敏材料领域，具体涉及一种检测低浓度丙酮气体的氧化钨复合材料，该材料用于制作气体传感器的气敏元件，制成的气体传感器对空气中低浓度丙酮有高灵敏度和高选择性。
技术背景
丙酮是一种无色透明液体，有特殊的辛辣气味。在工业上主要作为溶剂用于***、塑料、橡胶、纤维、制革、油脂、喷漆等行业中，也可作为合成烯酮、醋酐、碘仿、聚异戊二烯橡胶、甲基丙烯酸甲酯、氯仿、环氧树脂等物质的重要原料。丙酮对中枢神经***有抑制、麻醉作用，高浓度接触对个别人可能出现肝、肾和胰腺的损害。我国规定工作作业场所和居住区空气中丙酮的限值分别是400mg/m3(约168ppm)和0.8mg/m3(约0.34ppm)。目前测定空气中丙酮浓度的方法主要采用气相色谱法，该方法需要较昂贵的仪器设备，采样分析需要耗费较长时间。
氧化钨材料可以作为检测丙酮气体的敏感材料，但纯WO3材料制作的元件在310℃对1000ppm丙酮和甲醛的灵敏度分别是4.5和9.0，其对丙酮的选择性差。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提高氧化钨材料对丙酮的选择性，提供一种用于检测空气中丙酮气体的高灵敏度高选择性的新型复合气敏材料。
本发明是通过以下技术方案予以实现的。
本发明提供了一种用于检测低浓度丙酮气体的氧化钨复合气敏材料，该复合材料组成是C3N4-WO3复合材料，其中C3N4的质量占复合材料总质量的1-5％。
本发明同时提供了上述C3N4的制备方法，具体是：
(1)把三聚氰胺放在坩埚中，在马弗炉中以5℃/分钟的速率升高至520℃，并在520℃恒温下保温5小时；
(2)之后自然冷却至室温，产物用去离子水、无水乙醇分别洗涤，并在60℃下干燥24小时，研磨成粉末状待用。
本发明同时提供了上述C3N4-WO3复合材料的制备方法，具体是：
(1)分别称取0.0023～0.0115g C3N4于20ml的去离子水中，超声处理1小时，得到C3N4悬浮液；
(2)再称0.3298g的Na2WO4·2H2O，边搅拌边加入到C3N4悬浮液中，充分搅拌30分钟，超声处理30分钟；
(3)然后向悬浮液中缓慢滴加1mol/L的HCl溶液将混合溶液调节pH至1.0，再加去离子水，得体积为70ml的反应液；
(4)将反应液移至100ml水热反应釜中在200℃下反应24小时，得到的沉淀物用无水乙醇洗涤，再于80℃下干燥24小时。
本发明的材料可以作为丙酮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。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
该材料中C3N4的作用是提高了氧化钨对丙酮的气敏灵敏度，降低了氧化钨对甲醛等干扰气体的灵敏度，从而提高材料对丙酮的气敏选择性。以该材料作为敏感材料制成的旁热式气敏元件，在工作温度为310℃时，元件对1000ppm丙酮达灵敏度达到61-83，对0.1ppm丙酮气体的灵敏度达到1.2-1.6，并且对0.1-1000ppm丙酮气体的响应时间和恢复时间均不超过60秒，尤其对0.1ppm丙酮响应恢复时间均小于10秒。该元件在相同工作温度下对1000ppm的甲醛灵敏度均低于7。
具体实施方式
以下结合具体实施例详述本发明，但本发明不局限于下述实施例。
实施例1
分别称取0.0023克C3N4于20ml的去离子水中，超声处理1小时，得到C3N4悬浮液，再称0.3298克Na2WO4·2H2O，边搅拌边加入到C3N4悬浮液中，充分搅拌30分钟，超声处理30分钟，然后向悬浮液中缓慢滴加1mol/L的HCl溶液将混合溶液调节pH至1.0，再加去离子水至混合物体积为70ml，将反应液移至100ml水热反应釜中在200℃下反应24小时，得到的沉淀物用无水乙醇洗涤三次，产物再于80℃下烘24小时。制得复合材料中含1％C3N4。
将材料制成旁热式元件，测得元件在310℃工作温度下对0.1、1、10、100、1000ppm丙酮气体的最高灵敏度分别为1.2、4.4、12.2、33.1、61.2。对0.1-1000pp的丙酮响应时间和恢复时间不超过30秒和45秒，对0.1ppm响应时间和恢复时间均低于10秒。该元件在相同工作温度下对1000ppm的甲醛的灵敏度为3.4。
实施例2
分别称取0.0046克C3N4于20ml的去离子水中，超声处理1小时，得到C3N4悬浮液，再称0.3298克Na2WO4·2H2O，边搅拌边加入到C3N4悬浮液中，充分搅拌30分钟，超声处理30分钟，然后向悬浮液中缓慢滴加1mol/L的HCl溶液将混合溶液调节pH至1.0，再加去离子水至混合物体积为70ml，将反应液移至100ml水热反应釜中在200℃下反应24小时，得到的沉淀物用无水乙醇洗涤三次，产物再于80℃下烘24小时。制得复合材料中含2％C3N4。
将材料制成旁热式元件，测得元件在310℃工作温度下对0.1、1、10、100、1000ppm丙酮气体的最高灵敏度分别为1.4、6.4、17.4、36.1、83.0。对0.1-1000pp的丙酮响应时间和恢复时间不超过45秒和55秒，对0.1ppm响应时间和恢复时间均低于8秒。该元件在相同工作温度下对1000ppm的甲醛的灵敏度为6.4。
实施例3
分别称取0.0092克C3N4于20ml的去离子水中，超声处理1小时，得到C3N4悬浮液，再称0.3298克Na2WO4·2H2O，边搅拌边加入到C3N4悬浮液中，充分搅拌30分钟，超声处理30分钟，然后向悬浮液中缓慢滴加1mol/L的HCl溶液将混合溶液调节pH至1.0，再加去离子水至混合物体积为70ml，将反应液移至100ml水热反应釜中在200℃下反应24小时，得到的沉淀物用无水乙醇洗涤三次，产物再于80℃下烘24小时。制得复合材料中含4％C3N4。
将材料制成旁热式元件，测得元件在310℃工作温度下对0.1、1、10、100、1000ppm丙酮气体的最高灵敏度分别为1.6、5.9、14.9、33.8、74.2。对0.1-1000pp的丙酮响应时间和恢复时间不超过53秒和59秒，对0.1ppm响应时间和恢复时间均低于10秒。该元件在相同工作温度下对1000ppm的甲醛的灵敏度为5.3。
实施例4
分别称取0.0115克C3N4于20ml的去离子水中，超声处理1小时，得到C3N4悬浮液，再称0.3298克Na2WO4·2H2O，边搅拌边加入到C3N4悬浮液中，充分搅拌30分钟，超声处理30分钟，然后向悬浮液中缓慢滴加1mol/L的HCl溶液将混合溶液调节pH至1.0，再加去离子水至混合物体积为70ml，将反应液移至100ml水热反应釜中在200℃下反应24小时，得到的沉淀物用无水乙醇洗涤三次，产物再于80℃下烘24小时。制得复合材料中含5％C3N4。
将材料制成旁热式元件，测得元件在310℃工作温度下对0.1、1、10、100、1000ppm丙酮气体的最高灵敏度分别为1.3、4.7、13.2、31.8、67.3。对0.1-1000pp的丙酮响应时间和恢复时间不超过41秒和56秒，对0.1ppm响应时间和恢复时间均低于9秒。该元件在相同工作温度下对1000ppm的甲醛的灵敏度为4.8。

Claims (2)

1.一种用于检测低浓度丙酮气体的氧化钨复合气敏材料，其特征在于，该复合气敏材料是C3N4-WO3复合材料，其中C3N4的质量占复合气敏材料总质量的1-5％；所述复合气敏材料的制备步骤是：
(1)分别称取0.0023～0.0115g C3N4于20ml的去离子水中，超声处理1小时，得到C3N4悬浮液；
(2)再称0.3298g的Na2WO4·2H2O，边搅拌边加入到C3N4悬浮液中，充分搅拌30分钟，超声处理30分钟；
(3)然后向悬浮液中缓慢滴加1mol/L的HCl溶液将混合溶液调节pH至1.0，再加去离子水，得体积为70ml的反应液；
(4)将反应液移至100ml水热反应釜中在200℃下反应24小时，得到的沉淀物用无水乙醇洗涤，再于80℃下干燥24小时。
2.如权利要求1所述的氧化钨复合气敏材料在作为敏感材料制成的丙酮气体敏感元件中的应用。
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