CN114384125A - 一种丙酮传感器、制备方法及应用 - Google Patents
一种丙酮传感器、制备方法及应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114384125A CN114384125A CN202111513063.3A CN202111513063A CN114384125A CN 114384125 A CN114384125 A CN 114384125A CN 202111513063 A CN202111513063 A CN 202111513063A CN 114384125 A CN114384125 A CN 114384125A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- znfe
- solid
- acetone
- hollow microsphere
- nacl
- 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.)
- Pending
Links
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 161
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 28
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims abstract description 90
- 239000004005 microsphere Substances 0.000 claims abstract description 89
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 86
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 64
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 60
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 claims abstract description 48
- 229910001308 Zinc ferrite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 46
- VCJMYUPGQJHHFU-UHFFFAOYSA-N iron(3+);trinitrate Chemical compound [Fe+3].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O VCJMYUPGQJHHFU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 30
- ONDPHDOFVYQSGI-UHFFFAOYSA-N zinc nitrate Chemical compound [Zn+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O ONDPHDOFVYQSGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 30
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims abstract description 27
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 26
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 21
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims abstract description 19
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims abstract description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 7
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims abstract description 7
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 44
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 16
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 16
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 claims description 9
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims description 9
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 claims description 7
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 5
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 4
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 4
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims description 4
- 239000003595 mist Substances 0.000 claims description 4
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 4
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 2
- 238000001354 calcination Methods 0.000 claims description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 abstract description 16
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 15
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 11
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 11
- 238000002679 ablation Methods 0.000 abstract description 7
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 abstract description 7
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 2
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 abstract description 2
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 abstract 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 5
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 4
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 description 4
- UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N Benzene Chemical compound C1=CC=CC=C1 UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000002159 adsorption--desorption isotherm Methods 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 3
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 2
- 206010067584 Type 1 diabetes mellitus Diseases 0.000 description 2
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000007353 oxidative pyrolysis Methods 0.000 description 2
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 2
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 2
- 239000012855 volatile organic compound Substances 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 206010019233 Headaches Diseases 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000001174 ascending effect Effects 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000000090 biomarker Substances 0.000 description 1
- 206010006451 bronchitis Diseases 0.000 description 1
- 210000003169 central nervous system Anatomy 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 239000004519 grease Substances 0.000 description 1
- 231100000869 headache Toxicity 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 230000005802 health problem Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 229910052596 spinel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011029 spinel Substances 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000010189 synthetic method Methods 0.000 description 1
- 230000037303 wrinkles Effects 0.000 description 1
Images
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
本发明属于气体传感器制备技术领域，公开了一种丙酮传感器、制备方法及应用，所述丙酮传感器的制备方法包括：以硝酸锌和硝酸铁为金属盐，去离子水为溶剂，NaCl直接作为结构模板，通过控制NaCl含量调节ZnFe2O4的形貌和结构；通过一步化学气相沉积法合成ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料；获得基于ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料的气体传感器。本发明所用的绿色模板氯具有良好的热稳定性、无污染、无需任何严格的化学烧蚀即可轻松去除、通常不参与化学反应等优点，避免常规方法中模板成本高且合成过程繁琐、去除过程涉及苛刻的化学蚀刻或热解等问题，合成的敏感材料的比表面积和灵敏度高，能实现对丙酮的有效检测。
Description
技术领域
本发明属于气体传感器制备技术领域，尤其涉及一种丙酮传感器、制备方法及应用。
背景技术
目前，丙酮(acetone，C3H6O)，是一种具有代表性的易燃、易挥发有机化合物。丙酮在工业上主要作为溶剂用于***、油脂、喷漆等行业中，也广泛用于实验室中作为有机合成原料，有机溶剂等。同时丙酮也是一种有剧毒性的有机化合物，长期处于高浓度的丙酮环境中时，可能会引起头痛、支气管炎、中枢神经***损害等健康问题。同时，丙酮也是I型糖尿病患者的呼气生物标志物，在I型糖尿病人中的丙酮浓度超过1.8ppm，健康人呼气中的丙酮的浓度仅仅只有0.3ppm～0.9ppm。由于丙酮广泛存在于人类的工业和日常生活中，并且长期接触丙酮会对环境和人体健康产生严重的危害，因此开发高性能丙酮气体传感器是非常重要的。
化学传感器为构建可靠、实时的传感装置提供了有效途径，广泛用于有毒有害VOC气体的检测。其中，具有尖晶石结构的ZnFe2O4由于其独特的结构和理化性质、高灵敏度、低成本和环境友好性而被广泛应用于气体传感器中。同时提高ZnFe2O4的气敏性能方面仍有很大的潜力，这对于气体传感器的实际应用很重要。大量研究表明，具有高比表面积、低密度和优异表面渗透性的空心微球等微观结构通常表现出优异的气敏性能。大的比表面积可以增加敏感材料表面的活性位点，吸附更多的氧气和俘获更多的电子，从而导致传感器电阻的更大变化。因此，需要寻求具有高比表面积的中空结构来提高气体传感器的性能。
中空结构最稳定的合成方法主要基于模板方法。然而，模板成本高且合成过程繁琐，其去除过程涉及苛刻的化学蚀刻或热解。因此，寻找一种简单、温和、低成本的绿色模板来合成ZnFe2O4空心微球具有重要的科学和现实意义。氯化钠(NaCl)具有良好的热稳定性、无污染、无需任何严格的化学烧蚀即可轻松去除、通常不参与化学反应等优点，可作为制备高质量中空纳米结构的理想绿色模板。因此，NaCl晶体可以作为绿色模板，在被水去除后产生孔隙而不会受到任何污染。同时控制NaCl的含量有效地调节了ZnFe2O4的形貌和结构。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有基于模板方法的中空结构的合成中，模板成本高且合成过程繁琐，其去除过程涉及苛刻的化学蚀刻或热解。
解决以上问题及缺陷的难度为：寻找一种简单温和、低成本、无污染、无需任何严格的化学烧蚀即可轻松去除的绿色模板来合成空心微球。寻找一种一步简单的合成方法合成中空结构敏感材料，并且提高敏感材料的比表面积和灵敏度，实现对丙酮的有效检测。
解决以上问题及缺陷的意义为：解决中空结构合成过程中所需模板成本高、合成过程繁琐、去除过程需要苛刻的化学蚀刻或热解等问题。找到了一种简单温和、低成本、无污染、无需任何严格的化学烧蚀即可轻松去除的绿色模板来合成空心微球。并且通过一种一步简单的合成方法合成中空结构敏感材料，同时也制备一种具有高灵敏度的气体传感器，并且成功的提高敏感材料的比表面积和灵敏度，实现了对丙酮的有效检测。通过简单的一步化学气相沉积法，并且通过寻找到的具有良好的热稳定性、无污染、无需化学烧蚀即可轻松去除的绿色模板氯化钠(NaCl)不仅合成了中空结构的敏感材料，同时合成的ZnFe2O4敏感材料还是一种具有褶皱空心结构的微球材料，敏感材料的比表面积高达185.24m2/g，灵敏度也得到了进一步提高，在200℃的最佳工作温度下对100ppm丙酮的响应高达95.0。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种丙酮传感器、制备方法及应用，尤其涉及一种基于绿色NaCl模板的丙酮传感器、制备方法及应用。
本发明是这样实现的，一种丙酮传感器的制备方法，所述丙酮传感器的制备方法包括以下步骤：
步骤一，以硝酸锌和硝酸铁为金属盐，去离子水为溶剂，NaCl直接作为结构模板，通过控制NaCl的含量调节ZnFe2O4的形貌和结构；
步骤二，通过一步化学气相沉积法合成ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料；
步骤三，获得基于ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料的气体传感器。
本发明通过化学药品的添加和后续的合成过程，才能制备合成此发明中提到的敏感材料，才能获得具体的气体传感器测试其性能。
进一步，所述步骤一中的硝酸锌的含量为2～4mmol，所述硝酸铁的含量为5～7mmol；所述去离子水溶液的含量为50～110mL；所述NaCl的含量为0～70mmol。
进一步，所述骤一中通过控制模板NaCl的含量控制ZnFe2O4的形貌和结构，进而获得褶皱空心微球。
进一步，所述步骤一中的ZnFe2O4的结构包括实心和褶皱空心微球。
进一步，所述步骤一中和步骤二中的ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料的制备方法包括：
(1)将硝酸锌，硝酸铁和NaCl于去离子水中，在室温下连续充分搅拌2～4h获得均匀透明的黄色溶液，此溶液作为化学气相沉积法的前驱溶液；
(2)将前驱溶液被雾化器雾化产生大量雾气，雾化的水滴被载气送入管式炉中反应，管式炉中反应包括水蒸气蒸发和氧化热解反应；
(3)待化学气相沉积过程结束，获得的粉末被搜集到锥形瓶中后，转移到离心管中，通过乙醇和去离子水对粉末进行多次洗涤，将去除杂质后的产物在60～80℃的烘箱中干燥12h获得干燥的粉末；
(4)干燥后的产物会在500～700℃的高温马弗炉中煅烧1～3h，最终得到结构为实心和褶皱空心微球的ZnFe2O4敏感材料。
进一步，所述步骤(2)中的通过化学气相沉积法获得实心和褶皱空心微球材料所用载气为氮气，流速为400～700mL/min；所述通过化学气相沉积法获得实心和褶皱空心微球材料所用管式炉的工作温度为600～800℃。
进一步，所述步骤二中的ZnFe2O4的结构包括实心和褶皱空心微球的比表面积分别为18.91m2/g、185.24m2/g。
进一步，所述步骤三中的ZnFe2O4实心气体传感器的工作温度为275℃，对100ppm丙酮的响应为9.75；所述ZnFe2O4褶皱空心微球在200℃的最佳工作温度下对100ppm丙酮的响应高达95.0。
本发明的上述参数明确了这些化学药品的添加的量，以及详细叙述了具体的合成过程，所用设备个各种参数，才能保证能够合成此发明中提到的敏感材料，才能获得具体的气体传感器测试其性能。并且确保了合成的材料有此发明中提到的高比表面积和高性能。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的丙酮传感器的制备方法制备得到的基于ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料的气体传感器。
本发明的另一目的在于提供一种所述的基于ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料的气体传感器在丙酮检测中的应用。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的丙酮传感器的制备方法，通过化学药品的添加和后续的合成过程，制备合成了本发明中提到的敏感材料，才能获得具体的气体传感器应用于丙酮检测。
本发明合成方法以氯化钠(NaCl)为绿色模板，其具有良好的热稳定性、无污染、易去除等优点，可作为制备中空纳米结构的理想绿色模板，使用NaCl绿色模板制备的ZnFe2O4褶皱空心微球具有优异的丙酮分子灵敏度特性，有望成为一种很有前途的丙酮气体传感器敏感材料。
本发明提供了一种制备高质量中空纳米结构的理想绿色模板氯化钠(NaCl)，其具有良好的热稳定性、无污染、无需任何严格的化学烧蚀即可轻松去除、通常不参与化学反应等优点。避免了常规模板方法中模板成本高且合成过程繁琐，其去除过程涉及苛刻的化学蚀刻或热解等问题。
本发明提供了一种简单的一步化学气相沉积法成功合成中空结构敏感材料，并且提高敏感材料的比表面积和灵敏度，实现对丙酮的有效检测。同时控制NaCl的含量有效地调节了ZnFe2O4的形貌和结构，形成了ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料。
本发明提供的丙酮气体传感器，以硝酸锌和硝酸铁为金属盐，去离子水为溶剂，氯化钠(NaCl)作为理想绿色模板，通过控制NaCl的含量有效地调节了ZnFe2O4的形貌和结构，形成了ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料，并将其应用于丙酮检测。本发明所用的绿色模板氯具有良好的热稳定性、无污染、无需任何严格的化学烧蚀即可轻松去除、通常不参与化学反应等优点，避免了常规模板方法中模板成本高且合成过程繁琐，其去除过程涉及苛刻的化学蚀刻或热解等问题。本发明所用的一步化学气相沉积法合成方法简单易行，合成的敏感材料的比表面积和灵敏度高，能实现对丙酮的有效检测。本发明通过绿色模板NaCl合成的ZnFe2O4褶皱空心微球材料具有大的比表面积(185.24m2/g)，且其在200℃的最佳工作温度下对100ppm丙酮的响应高达95.0。所述的ZnFe2O4实心气体传感器的工作温度为275℃，对100ppm丙酮的响应为9.75。
本发明通过使用理想绿色模板氯化钠(NaCl)，避免了苛刻的化学蚀刻或热解等问题；且通过简单的一步化学气相沉积法成功合成褶皱中空结构敏感材料，并且提高敏感材料的比表面积和灵敏度，实现对丙酮的有效检测；同时控制NaCl的含量有效地调节了ZnFe2O4的形貌和结构，形成了ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料。测试结果表明利用本发明方法制备的ZnFe2O4褶皱空心微球材料具有大的比表面积(185.24m2/g)，且其在200℃的最佳工作温度下对100ppm丙酮的响应高达95.0；所述的ZnFe2O4实心气体传感器的工作温度为275℃，对100ppm丙酮的响应为9.75。本发明合成方法简单易行，成本低廉，分散性好，形成的ZnFe2O4实心和褶皱空心微球结构明显，具有优异的气敏特性，克服了复杂的合成工艺，通过控制NaCl的含量能有效控制反应过程中的褶皱空心微球结构的生成，制造过程经济不耗时。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的丙酮传感器的制备方法流程图。
图2(a)和图2(b)是本发明实施例提供的ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料的透射电镜图。
图3是本发明实施例提供的ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料的X射线衍射图。
图4(a)和图4(b)是本发明实施例提供的基于ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料的N2吸附-解吸等温线和比表面积图。
图5是本发明实施例提供的基于ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料的丙酮传感器对100ppm丙酮的响应随温度变化曲线示意图。
图6是本发明实施例提供的基于ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料的丙酮传感器在最佳工作温度下对100ppm各种气体的响应值雷达图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种丙酮传感器、制备方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的丙酮传感器的制备方法包括以下步骤：
S101，以硝酸锌和硝酸铁为金属盐，去离子水为溶剂，NaCl直接作为结构模板，通过控制NaCl的含量调节ZnFe2O4的形貌和结构；
S102，通过一步化学气相沉积法合成ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料；
S103，获得基于ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料的气体传感器。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
实施例1
本发明实施例提供的基于绿色NaCl模板的丙酮传感器的制备方法及应用包括以下步骤：
(1)以硝酸锌和硝酸铁为金属盐，去离子水为溶剂，NaCl直接作为绿色无污染且易于去除的结构模板，通过控制NaCl的含量有效地调节了ZnFe2O4的形貌和结构；
(2)通过一步化学气相沉积法合成具有ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料；
(3)获得的基于ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料的气体传感器并将其应用于丙酮检测。
本发明的ZnFe2O4褶皱空心微球气敏材料制备过程中化学试剂的含量分别为硝酸锌和硝酸铁的含量分别为3mmol，6mmol；去离子水溶液的含量为100mL；NaCl的含量为50mmol。
本发明提供的丙酮传感器的制备方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的丙酮传感器的制备方法仅仅是一个具体实施例而已。
本发明实施例提供的ZnFe2O4褶皱空心微球气敏材料的具体制备方法包括：
(1)将硝酸锌，硝酸铁和NaCl于去离子水中，在室温下连续充分搅拌4h获得均匀透明的黄色溶液，此溶液作为化学气相沉积法的前驱溶液；
(2)将前驱溶液被雾化器雾化产生大量雾气，雾化的水滴被载气送入管式炉中反应，管式炉中反应包括水蒸气蒸发，氧化热解等反应；
(3)待化学气相沉积过程结束，获得的粉末被搜集到锥形瓶中，然后转移到离心管中，通过乙醇和去离子水对粉末进行多次洗涤，将去除杂质后的产物在60℃的烘箱中干燥12h获得干燥的粉末；
(4)干燥后的产物会在600℃的高温马弗炉中煅烧2h，最终得到结构为褶皱空心ZnFe2O4敏感材料。
本发明实施例提供的ZnFe2O4褶皱空心微球的具体制备方法包括所述通过化学气相沉积法获得褶皱空心微球材料所用载气为氮气，其流速为500mL/min。
本发明实施例提供的ZnFe2O4褶皱空心微球的具体制备方法包括所述通过化学气相沉积法获得褶皱空心微球材料所用管式炉的工作温度为700℃。
本发明实施例提供的ZnFe2O4褶皱空心微球敏感材料的比表面积为185.24m2/g。
本发明实施例提供的ZnFe2O4褶皱空心微球敏感材料的的气体传感器被应用于丙酮检测，所述ZnFe2O4褶皱空心微球在200℃的最佳工作温度下对100ppm丙酮的响应高达95.0。
图2(a)和图2(b)是本发明实施例提供的ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料的透射电镜照片图。ZnFe2O4实心微球具有良好的分散性，并形成了平均范围为0.5～1μm的致密固体。ZnFe2O4褶皱空心微球显示了具有更多开口和皱纹的褶皱中空结构，平均为1μm～1.4μm。所采用的氯化钠作为理想绿色模板，通过控制NaCl的含量，经过一步化学气相沉积法合成策略有效地调节了ZnFe2O4的形貌和结构，形成了ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料，并将其应用于丙酮检测。
图3是本发明实施例提供的ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料的X射线衍射图。用不同量的NaCl前驱体溶液制备的气敏材料所有衍射峰都可以与标准卡片JCPDS No.22-1012很好地匹配，并且没有其他杂质相出现，说明合成的ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料均为纯相。2θ＝30.1°、35.5°和62.7°处的衍射峰分别与ZnFe2O4的(220)、(311)和(440)晶面对应。
图4(a)和图4(b)是本发明实施例提供的基于ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料的N2吸附-解吸等温线和比表面积图。N2吸附-解吸等温线均呈现典型的“IV型”等温线，H3滞后回线出现在0.5～1.0相对压力(P/P0)范围。ZnFe2O4实心结构的比表面积为18.91m2/g。ZnFe2O4褶皱空心微球的比表面积急剧增加到185.24m2/g。ZnFe2O4褶皱空心微球具有大量褶皱，表现出大的比表面积。高的比表面积(185.24m2/g)可以增加更多的活性位点，有利于提高气体敏感性。
本实施例还提供了制备的ZnFe2O4实心和褶皱空心微球敏感材料的应用，其特征在于，所述的基于ZnFe2O4实心和褶皱空心微球敏感材料的气体传感器应用于丙酮检测。
图5是本发明实施例提供的基于ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料的丙酮传感器对100ppm丙酮的响应随温度变化曲线示意图。在150℃至325℃的温度范围内测试ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料的传感器对100ppm丙酮的传感特性，以评估传感器的最佳工作温度。传感器的传感特性在150℃～325℃范围内均呈现先上升后下降的趋势。测试结果表明利用本发明方法制备的ZnFe2O4褶皱空心微球传感器在200℃的最佳工作温度下对100ppm丙酮的响应高达95.0，实现了对丙酮的有效检测。所述的ZnFe2O4实心气体传感器的工作温度为275℃，对100ppm丙酮的响应为9.75。
图6是本发明实施例提供的基于ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料的丙酮传感器在最佳工作温度下对100ppm各种气体的响应值雷达图。ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料的传感器在其各自的最佳工作温度下检测到对100ppm的各种气体(丙酮、乙醇、甲苯和苯等)的响应表明传感器对所有测试气体都表现出相似的选择性，即对丙酮的响应最高，即表现出对丙酮的良好选择性。ZnFe2O4褶皱空心微球材料的传感器对丙酮(95.0)的响应值最高。
实施例2
本发明实施例提供的基于绿色NaCl模板的丙酮传感器的制备方法及应用包括以下步骤：
(1)以硝酸锌和硝酸铁为金属盐，去离子水为溶剂，NaCl直接作为绿色无污染且易于去除的结构模板，通过控制NaCl的含量有效地调节了ZnFe2O4的形貌和结构；
(2)通过一步化学气相沉积法合成具有ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料；
(3)获得的基于ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料的气体传感器并将其应用于丙酮检测。
本发明的ZnFe2O4实心微球气敏材料制备过程中化学试剂的含量分别为硝酸锌和硝酸铁的含量分别为3mmol，6mmol；去离子水溶液的含量为80mL；NaCl的含量为0mmol。
本发明提供的丙酮传感器的制备方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的丙酮传感器的制备方法仅仅是一个具体实施例而已。
本发明实施例提供的ZnFe2O4实心微球气敏材料的具体制备方法包括：
(1)将硝酸锌，硝酸铁和NaCl于去离子水中，在室温下连续充分搅拌2h获得均匀透明的黄色溶液，此溶液作为化学气相沉积法的前驱溶液；
(2)将前驱溶液被雾化器雾化产生大量雾气，雾化的水滴被载气送入管式炉中反应，管式炉中反应包括水蒸气蒸发，氧化热解等反应；
(3)待化学气相沉积过程结束，获得的粉末被搜集到锥形瓶中，然后转移到离心管中，通过乙醇和去离子水对粉末进行多次洗涤，将去除杂质后的产物在80℃的烘箱中干燥12h获得干燥的粉末；
(4)干燥后的产物会在500℃的高温马弗炉中煅烧3h，最终得到结构为实心ZnFe2O4敏感材料。
本发明实施例提供的ZnFe2O4实心微球的具体制备方法包括所述通过化学气相沉积法获得褶皱空心微球材料所用载气为氮气，其流速为600mL/min。
本发明实施例提供的ZnFe2O4实心微球的具体制备方法包括所述通过化学气相沉积法获得褶皱空心微球材料所用管式炉的工作温度为600℃。
本发明实施例提供的ZnFe2O4实心微球敏感材料的比表面积为18.91m2/g。
本发明实施例提供的ZnFe2O4实心微球敏感材料的的气体传感器被应用于丙酮检测，所述ZnFe2O4实心气体传感器的工作温度为275℃，对100ppm丙酮的响应为9.75。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种丙酮传感器的制备方法，其特征在于，所述丙酮传感器的制备方法包括以下步骤：
步骤一，以硝酸锌和硝酸铁为金属盐，去离子水为溶剂，NaCl直接作为结构模板，通过控制NaCl的含量调节ZnFe2O4的形貌和结构；
步骤二，通过一步化学气相沉积法合成ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料；
步骤三，获得基于ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料的气体传感器。
2.如权利要求1所述的丙酮传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤一中的硝酸锌的含量为2～4mmol，所述硝酸铁的含量为5～7mmol；所述去离子水溶液的含量为50～110mL；所述NaCl的含量为0～70mmol。
3.如权利要求1所述的丙酮传感器的制备方法，其特征在于，所述骤一中通过控制模板NaCl的含量控制ZnFe2O4的形貌和结构，进而获得褶皱空心微球。
4.如权利要求1所述的丙酮传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤一中的ZnFe2O4的结构包括实心和褶皱空心微球。
5.如权利要求1所述的丙酮传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤一中和步骤二中的ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料的制备方法包括：
(1)将硝酸锌，硝酸铁和NaCl于去离子水中，在室温下连续充分搅拌2～4h获得均匀透明的黄色溶液，此溶液作为化学气相沉积法的前驱溶液；
(2)将前驱溶液被雾化器雾化产生大量雾气，雾化的水滴被载气送入管式炉中反应，管式炉中反应包括水蒸气蒸发和氧化热解反应；
(3)待化学气相沉积过程结束，获得的粉末被搜集到锥形瓶中后，转移到离心管中，通过乙醇和去离子水对粉末进行多次洗涤，将去除杂质后的产物在60～80℃的烘箱中干燥12h获得干燥的粉末；
(4)干燥后的产物会在500～700℃的高温马弗炉中煅烧1～3h，最终得到结构为实心和褶皱空心微球的ZnFe2O4敏感材料。
6.如权利要求5所述的丙酮传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的通过化学气相沉积法获得实心和褶皱空心微球材料所用载气为氮气，流速为400～700mL/min；所述通过化学气相沉积法获得实心和褶皱空心微球材料所用管式炉的工作温度为600～800℃。
7.如权利要求1所述的丙酮传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤二中的ZnFe2O4的结构包括实心和褶皱空心微球的比表面积分别为18.91m2/g、185.24m2/g。
8.如权利要求1所述的丙酮传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤三中的ZnFe2O4实心气体传感器的工作温度为275℃，对100ppm丙酮的响应为9.75；所述ZnFe2O4褶皱空心微球在200℃的最佳工作温度下对100ppm丙酮的响应高达95.0。
9.一种由权利要求1～8任意一项所述的丙酮传感器的制备方法制备得到的基于ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料的气体传感器。
10.一种如权利要求9所述的基于ZnFe2O4实心和褶皱空心微球材料的气体传感器在丙酮检测中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111513063.3A CN114384125A (zh) | 2021-12-12 | 2021-12-12 | 一种丙酮传感器、制备方法及应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111513063.3A CN114384125A (zh) | 2021-12-12 | 2021-12-12 | 一种丙酮传感器、制备方法及应用 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114384125A true CN114384125A (zh) | 2022-04-22 |
Family
ID=81195278
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111513063.3A Pending CN114384125A (zh) | 2021-12-12 | 2021-12-12 | 一种丙酮传感器、制备方法及应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114384125A (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5712001A (en) * | 1995-03-20 | 1998-01-27 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Chemical vapor deposition process for producing oxide thin films |
| CN102181855A (zh) * | 2011-03-29 | 2011-09-14 | 北京化工大学 | 一种形貌可控尖晶石薄膜及其制备方法 |
| CN104749225A (zh) * | 2015-04-22 | 2015-07-01 | 吉林大学 | ZnO/ZnFe2O4复合敏感材料、制备方法及在丙酮气体传感器中的应用 |
| CN112666230A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-04-16 | 西安电子科技大学 | 一种丙酮传感器、制备方法、丙酮检测方法 |
-
2021
- 2021-12-12 CN CN202111513063.3A patent/CN114384125A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5712001A (en) * | 1995-03-20 | 1998-01-27 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Chemical vapor deposition process for producing oxide thin films |
| CN102181855A (zh) * | 2011-03-29 | 2011-09-14 | 北京化工大学 | 一种形貌可控尖晶石薄膜及其制备方法 |
| CN104749225A (zh) * | 2015-04-22 | 2015-07-01 | 吉林大学 | ZnO/ZnFe2O4复合敏感材料、制备方法及在丙酮气体传感器中的应用 |
| CN112666230A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-04-16 | 西安电子科技大学 | 一种丙酮传感器、制备方法、丙酮检测方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| GENGTAO FU 等: "Spinel MnCo2O4 nanoparticles cross-linked with two-dimensional porous carbon nanosheets as a high-efficiency oxygen reduction electrocatalyst", 《NANO RESEARCH》 * |
| LI LV 等: "Ultrasonic spray pyrolysis synthesis of three-dimensional ZnFe2O4-based macroporous spheres for excellent sensitive acetone gas sensor", 《SENSORS AND ACTUATORS B: CHEMICAL》 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhang et al. | Synthesis and gas sensing properties of porous hierarchical SnO2 by grapefruit exocarp biotemplate | |
| Sui et al. | Construction of three-dimensional flower-like α-MoO3 with hierarchical structure for highly selective triethylamine sensor | |
| Jiang et al. | Ethylene glycol-mediated synthesis of metal oxide nanowires | |
| Hung et al. | Study on photocatalytic degradation of gaseous dichloromethane using pure and iron ion-doped TiO2 prepared by the sol–gel method | |
| Cao et al. | Tungsten oxide clusters decorated ultrathin In2O3 nanosheets for selective detecting formaldehyde | |
| CN108455659B (zh) | 一种纳米棒状氧化铟气敏材料的制备方法 | |
| Xu et al. | Enhanced photocatalytic activity of C–N-codoped TiO2 films prepared via an organic-free approach | |
| Lan et al. | Preparation and characterization of SnO 2 catalysts for CO and CH 4 oxidation | |
| Popa et al. | Synthesis and structural characteristics of nitrogen doped TiO2 aerogels | |
| CN112125328B (zh) | 一种十二面体状氧化锌纳米材料的制备方法及应用 | |
| CN110498400A (zh) | 一种二维层状多孔bcn的制备方法及其h2s选择性氧化应用 | |
| CN108715457A (zh) | 基于mof模板法可控合成氧化锌纳米结构气敏元件 | |
| CN109529907A (zh) | 一种氮掺杂碳材料负载钴催化剂及其制备方法和在n-杂环化合物催化氧化中的应用 | |
| CN104226291A (zh) | 一种水热合成TiO2/C复合空心微球的方法 | |
| CN113740390A (zh) | 一种镍掺杂氧化铟纳米颗粒及其制备方法与应用 | |
| CN114632550B (zh) | 一种mof衍化载体及其制备方法和应用 | |
| Sun et al. | Nitrogen-doped ZnO microspheres with a yolk-shell structure for high sensing response of triethylamine | |
| Bhardwaj et al. | Pd functionalized SrTiO3 hollow spheres for humidity-tolerant ethanol sensing | |
| CN110836913A (zh) | 一种铁掺杂多孔氧化铟气敏材料及其制备方法与应用 | |
| CN114384125A (zh) | 一种丙酮传感器、制备方法及应用 | |
| CN107449805B (zh) | 一种对丙酮敏感的钴酸锌纳米多壳层yolk-shell膜 | |
| CN111318260A (zh) | 一种TiO2(B)/MIL-100(Fe)复合材料的制备方法与应用 | |
| Madarász et al. | Comprehensive evolved gas analysis (EGA) of amorphous precursors for S-doped titania by in situ TG–FTIR and TG/DTA–MS in air: Part 2. Precursor from thiourea and titanium (IV)-n-butoxide | |
| CN115676874A (zh) | 金属-有机框架衍生的SnO2-ZnO复合物气敏材料及其制备方法 | |
| CN105603714A (zh) | 一种二氧化钛基银-氧化镁-二氧化钛复合纳米纤维毡的制备方法 |
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 | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220422 |