一种检测co的气敏材料及用其制作气敏元件的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种检测CO的气敏材料及用其制作气敏元件的方法,属于气体检测 领域。
【背景技术】
[0002] 一氧化碳是大气中分布最广和数量最多的污染物,也是燃烧过程中生成的重要污 染物之一。近年来,周围环境中有害气体的识别和检测越来越受到人们重视,CO作为有害 气体中广泛存在于生活环境中,对人们的健康造成极大的威胁。
[0003] CO是一种对血液,与神经系统毒性很强的污染物,空气中的C0,通过呼吸系统,进 入人体血液内,与血液中的血红蛋白。CO与血红蛋白的结合,不仅降低血球携带氧的能力, 而且还抑制,延缓氧血红蛋白的解析与释放,导致机体组织因缺氧而坏死,严重者则可能危 及人的生命。CO对机体的危害程度,主要取决于空气中的CO的浓度与机体吸收高浓度CO 空气的时间长短。因此,及时检测出周围CO的浓度能提醒人们,避免CO中毒。
[0004] 目前用来检测气体最多的是半导体气敏传感器,其响应快速、灵敏度高、使用方 便,拥有广泛的应用市场。好的气敏传感器主要取决于其气敏材料和器件的物理制作,使其 成为气敏传感器的关键部分。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种检测CO的气敏材料及其应用,涉及的制备工艺简单,以 其为传感器传感层制备的传感器对CO的响应灵敏度高,且选择性好。
[0006] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:一种检测CO的气敏材料,它由钯 掺杂二氧化锡空心纳米球制备而成。
[0007] 根据上述方案,所述的钯掺杂二氧化锡空心纳米球为四方金红石相,直径为 180~200nm,空心球的壁厚为8~10nm。
[0008] 根据上述方案,所述的钯掺杂二氧化锡空心纳米球的制备方法为:将二氧化锡空 心纳米球超声分散于水中,以PchSn为(0. 5~5) : 100的摩尔比加入钯盐溶液,混合搅拌 后,调节所得混合溶液的PH值至9~10,然后进行离心分离、干燥,所得固体产物升温至 500~600°C焙烧2~4h,得到灰白色粉末,即所述的钯掺杂二氧化锡空心纳米球。
[0009] 根据上述方案,所述钯盐溶液为Pd (NO3) 2溶液或Na 2PdCl4溶液。
[0010] 根据上述方案,所述二氧化锡空心纳米球的制备方法为:1)将尿素和锡酸钾以 20:3的质量比溶于水中,然后加入无水乙醇,搅拌得悬浮液I ;将SiO2纳米球超声分散于 水中,所述SiO2纳米球与锡酸钾的质量比为1:1,得悬浮液II ;将配制的悬浮液I和II混 合,搅拌混合均匀,然后转移到IOOmL聚四氟乙烯高压釜中,在170~180°C下反应28~ 32h,冷却后所得沉淀进行离心分离和洗涤,然后分散于去离子水中,得分散液III ;2)以 NaOH: SiO2纳米球> 1:1的摩尔比配制NaOH溶液,升温至50~55°C,再加入分散液III,搅 拌4~6h,所得产物经洗涤、干燥,最后在500~600°C焙烧2~4h得到所述的二氧化锡空 心纳米球。
[0011] 根据上述方案,所述Si02m米球按Si.5ber法制备而成,尺寸为160~180nm。
[0012] 上述一种气敏材料制作CO气敏元件的方法,包括以下步骤:将上述气敏材料加无 水乙醇研磨成浆状,均匀滴附在电极陶瓷管表面或金叉指电极上,干燥后,经过退火,制得 旁热式气敏元件或平板式CO气敏元件。
[0013] 根据上述方案,所述干燥条件为在80~KKTC下干燥2~4h。
[0014] 根据上述方案,所述的退火工艺为:以1~5°C /min的速率升温至500~600°C焙 烧2~4h。
[0015] 上述一种气敏材料制作旁热式CO气敏元件的方法,具体步骤如下:
[0016] 1)将上述气敏材料经玛瑙研钵研磨5~IOmin ;
[0017] 2)将乙醇加入玛瑙研钵中,继续研磨,浆料研磨干时继续滴加乙醇研磨,得均匀的 浆状气敏材料;
[0018] 3)将均匀的浆状气敏材料滴加到经二氯乙烯洗净后干燥的Al2O3陶瓷管上,缓慢 旋转管轴,使其浆料均匀敷在电极管表面,然后在空气中80~100°C下放置12h后使其干 燥,置于500~600°C下退火处理2~4h,得旁热式CO气敏元件。
[0019] 上述一种气敏材料制作平板式CO气敏元件的方法,具体步骤如下:
[0020] 1)将上述气敏材料经玛瑙研钵研磨5~IOmin ;
[0021] 2)将乙醇加入玛瑙研钵中,继续研磨,浆料研磨干时继续滴加乙醇研磨,得均匀的 浆状气敏材料;
[0022] 3)用丝网印刷机将浆状气敏材料印刷到经丙酮浸泡、乙醇洗净后的金叉指电极 上,使浆料均匀敷在电极片表面,然后在空气中80~KKTC下放置12h后使其干燥,置于 500~600 °C下退火处理2~4h,得平板式CO气敏元件。
[0023] 上述制得的气敏元件进行电极焊接、加热丝组装、老化、封装,即可制成CO平板式 气敏传感器。
[0024] 本发明采用的原理为:常见的气敏传感器主要利用高温(250°C以上)条件下材料 表面吸附的(V向OlP O2节变,导致耗尽层的变化,利用敏感气体在材料的表面物理化学吸 附和反应,造成材料载流子的变化,从而达到检测的目的。本发明利用二氧化锡颗粒中空的 球状结构,对一氧化碳选择性吸附,且钯的掺杂增强了气敏材料对氧分子的吸附,促进了氧 气分子的解离,有利于离子氧、表面晶格氧向金属氧化物表面的扩散,并提高了材料表面氧 空位的利用,降低了气敏材料对CO的传感反应活化能,利用其表面化学反应,做到低温(最 佳工作温度150°c )下对CO的高灵敏度响应,实现低温传感检测。
[0025] 与现有技术相比,本发明的有益效果是:
[0026] 1)工作温度低,比其他检测一氧化碳敏感材料工作温度(> 250°C )要低,降低了 能耗。
[0027] 2)选择性好,气敏材料相对于VOCs气体对CO表现出良好的选择性。
【附图说明】
[0028] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
[0029] 图1为本发明实施例1制备的钯掺杂二氧化锡空心纳米球的XRD图。
[0030] 图2为本发明实施例1制备的钯掺杂二氧化锡空心纳米球的EDX图。
[0031] 图3为本发明实施例1制备的钯掺杂二氧化锡空心纳米球的TEM图。
[0032] 图4为本发明实施例1~4制得的钯掺杂二氧化锡空心纳米球和对比施例制备的 SnO2S心纳米球分别作为气敏材料,在不同温度下对200ppm CO的气敏响应图。
[0033] 图5为本发明实施例1制备的钯掺杂二氧化锡空心纳米球在最佳温度150°C下,对 浓度范围为20~500ppm的一氧化碳的气敏响应图。
[0034] 图6为本发明实施例1制备的钯掺杂二氧化锡空心纳米球在最佳温度150°C下,对 浓度为200ppm的一氧化碳、乙醇、甲醇、甲醛和甲苯的气敏响应图。
【具体实施方式】
[0035] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,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用以解释本发明,并不 用于限定本发明。
[0036] 以下实施例中,如无具体说明,采用的试剂均为市售化学试剂。所述的SiO2纳米球 由实验室按StSbcr法制备而成,具体制备步骤如下:将3mL氨水、75mL无水乙醇、IOmL去离 子水搅拌混合均匀,再加入7. 2mL正硅酸乙酯,磁力搅拌5h ;所得胶状溶液用无水乙醇进行 高速离心分离,再在l〇〇°C烘箱中干燥2~4h,得到二氧化娃纳米球,尺寸为160~180nm。 [00 37] 实施例1
[0038] 制备钯掺杂二氧化锡空心纳米球,制备过程中Pd与Sn的摩尔比为1. 0% :1,具体 包括以下步骤:
[0039] 1)将2. Og尿素、(λ 3g K2SnO3CH2O溶于3