一種基于非貴金屬摻雜復(fù)合材料的甲苯氣體傳感器的制備方法及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種甲苯氣體傳感器的制備方法，具體是基于非貴金屬摻雜復(fù)合材料 所構(gòu)建的氣敏傳感器，可用于檢測環(huán)境中甲苯氣體含量。屬于新型納米功能材料與環(huán)境監(jiān) 測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 甲苯大量用作溶劑和高辛烷值汽油添加劑，也是有機(jī)化工的重要原料，易揮發(fā)。人 體長期接觸甲苯可發(fā)生神經(jīng)衰弱綜合征，肝腫大，女工月經(jīng)異常等。皮膚干燥、皸裂、皮炎。
[0003] 對于甲苯氣體的檢測方法主要有化學(xué)檢驗(yàn)法和儀器檢驗(yàn)法?；瘜W(xué)檢驗(yàn)法雖操作簡 單，但靈敏度不高以及無法重復(fù)使用等缺點(diǎn);儀器檢驗(yàn)法，主要使用甲苯氣體檢測儀表對空 氣中的甲苯氣體濃度進(jìn)行定量檢測，具有靈敏度高、可重復(fù)使用、自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)，而 被廣泛應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。
[0004] 對于儀器檢驗(yàn)法所使用的甲苯氣體檢測儀，最核心的部件是對甲苯氣體具有定性 定量響應(yīng)的氣敏傳感器，也就是涂覆有不同納米功能材料的氣敏元件。氣敏傳感器是一種 檢測特定氣體的傳感器，原理是基于聲表面波器件的波速和頻率會隨外界環(huán)境的變化而發(fā) 生漂移。它主要包括半導(dǎo)體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學(xué)氣敏傳感器等，其 中用的最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。
[0005] 靈敏度是氣敏傳感器氣敏特性的重要表征。靈敏度定義為傳感器在大氣氣氛中的 電阻值Ra與傳感器在一定濃度的被測氣體氣氛中的電阻值R g的比值，即
因此，探究吸附性強(qiáng)、穩(wěn)定性能好、催化活性高、對甲苯氣體具有特異性識別和可定量 檢測的氣敏傳感材料，進(jìn)而制備具有靈敏度高、響應(yīng)快速、恢復(fù)時間短等特性的甲苯氣體傳 感器對工業(yè)生產(chǎn)、人類健康具有重要的應(yīng)用價值，同時也是環(huán)境監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域研究的重點(diǎn) 和難點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種制備簡單、靈敏度高、檢測快速的可用于甲苯氣體檢 測的氣敏傳感器的制備方法，所制備的傳感器，可用于甲苯氣體的快速、靈敏檢測?；诖?目的，本發(fā)明首先制備了一種新型二維納米復(fù)合材料，即錳摻雜二氧化鈦納米片原位復(fù)合 氮化碳二維納米復(fù)合材料Mn-Ti〇2/g_C3N4，利用該材料大的比表面積、介孔高氣體吸附特性 和電子傳遞受材料表面氣體變化而影響敏感的諸多特性，實(shí)現(xiàn)了對甲苯氣體具有靈敏、快 速響應(yīng)的氣敏傳感器的構(gòu)建。
[0007] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下： 1. 一種基于非貴金屬摻雜復(fù)合材料的甲苯氣體傳感器的制備方法，所述的非貴金屬 摻雜復(fù)合材料為錳摻雜二氧化鈦納米片原位復(fù)合氮化碳二維納米復(fù)合材料Mn-Ti0 2/g-C3N4； 其特征在于，所述的制備方法包括以下制備步驟： (1) Mn-Ti02/g-C3N4 的制備； (2) 甲苯氣體傳感器的制備； 其中，步驟（1)制備Mn-Ti02/g-C3N4的具體步驟為： 首先，取0.8~1.2 mmol錳鹽加入到5 mL鈦酸四丁酯中，攪拌過程中，緩慢加入0.5~0.8 mL氫氟酸，160~200 °C下在反應(yīng)爸中反應(yīng)18~24小時，冷卻至室溫后，用超純水和無水乙醇 離心洗滌三次后，50°C下真空干燥;其次，取150~250 mg干燥后的固體與400mg三聚氰胺混 合，并研磨成粉末;然后，將研磨的粉末放入馬弗爐中，升溫速度為1~3 °C/min，在480~560 °C下煅燒0.5~5小時;最后，將煅燒后的粉末冷卻至室溫，即制得Mn-Ti02/g-C 3N4; 所述的錳鹽選自下列之一:硫酸錳、氯化錳、硝酸錳； 步驟(2)制備甲苯氣體傳感器的具體步驟為： 首先，取步驟（1)中制備的Mn-Ti02/g-C3N4 100 mg和0.5~2.0 mmol鉀鹽置于研缽中，加 入無水乙醇，研磨至糊狀后均勻涂覆在絕緣陶瓷管表面形成涂膜，在室溫下晾干;然后，將 陶瓷管兩側(cè)的鉑絲以及加熱絲與底座進(jìn)行焊接;最后，將焊接好的元件放置在檢測儀器中， 通過調(diào)節(jié)加熱電壓至4.22V進(jìn)行老化處理，即制得甲苯氣體傳感器； 所述的鉀鹽選自下列之一:硫酸鉀、氯化鉀、硝酸鉀。
[0008] 2.本發(fā)明所述的制備方法所制備的甲苯氣體傳感器的應(yīng)用，其特征在于，可以應(yīng) 用于甲苯氣體的檢測，檢出限為0.001 mg/m3。
[0009]本發(fā)明的有益成果 (1) 本發(fā)明所述的甲苯氣體傳感器制備簡單，操作方便，實(shí)現(xiàn)了對甲苯氣體的快速、靈 敏、高選擇性檢測，具有市場發(fā)展前景； (2) 本發(fā)明首次制備了新型基質(zhì)材料Mn-Ti〇2/g_C3N4，由于猛在二氧化鈦納米片上的原 位生長而充分與二氧化鈦納米片接觸，利用錳的金屬表面等離子體作用，有效提高了半導(dǎo) 體基質(zhì)電子傳遞能力和催化活性，解決了二氧化鈦納米片雖然比表面積比較大及介孔高氣 體吸附特性適用于氣敏基質(zhì)材料，但是氣敏活性不高及阻抗變化不穩(wěn)定的技術(shù)問題；同時 由于氮化碳g_C 3N4的良好的導(dǎo)電性，再加上二氧化鈦納米片在其上的充分分散，極大地增大 了電子傳遞能力，解決了氣敏基質(zhì)材料阻抗隨氣體變化而快速響應(yīng)的技術(shù)問題;而且，通過 鉀離子的摻雜，解決了特異性檢測甲苯氣體的技術(shù)問題。因此，該材料的有效制備，具有重 要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。
【具體實(shí)施方式】
[0010]實(shí)施例 1 Mn-Ti02/g-C3N4 的制備 首先，取0.8 mmol錳鹽加入到5 mL鈦酸四丁酯中，攪拌過程中，緩慢加入0.5 mL氫氟 酸，160 °C下在反應(yīng)釜中反應(yīng)24小時，冷卻至室溫后，用超純水和無水乙醇離心洗滌三次 后，50 °C下真空干燥；其次，取150 mg干燥后的固體與400 mg三聚氰胺混合，并研磨成粉 末;然后，將研磨的粉末放入馬弗爐中，升溫速度為1 °C/min，在480°C下煅燒5小時;最后， 將煅燒后的粉末冷卻至室溫，即制得Mn-Ti02/g-C3N4; 所述的錳鹽為硫酸錳。
[0011]實(shí)施例 2 Mn-Ti02/g-C3N4 的制備 首先，取1.0 mmol錳鹽加入到5 mL鈦酸四丁酯中，攪拌過程中，緩慢加入0.6 mL氫氟 酸，180 °C下在反應(yīng)釜中反應(yīng)21小時，冷卻至室溫后，用超純水和無水乙醇離心洗滌三次 后，50 °C下真空干燥；其次，取200 mg干燥后的固體與400 mg三聚氰胺混合，并研磨成粉 末;然后，將研磨的粉末放入馬弗爐中，升溫速度為2 °C/min，在520°C下煅燒2小時;最后， 將煅燒后的粉末冷卻至室溫，即制得Mn-Ti02/g-C 3N4; 所述的錳鹽為氯化錳。
[0012]實(shí)施例 3 Mn-Ti02/g-C3N4 的制備 首先，取1.2 mmol錳鹽加入到5 mL鈦酸四丁酯中，攪拌過程中，緩慢加入0.8 mL氫氟 酸，200 °C下在反應(yīng)釜中反應(yīng)18小時，冷卻至室溫后，用超純水和無水乙醇離心洗滌三次 后，50 °C下真空干燥；其次，取250 mg干燥后的固體與400 mg三聚氰胺混合，并研磨成粉 末;然后，將研磨的粉末放入馬弗爐中，升溫速度為3 °C/min，在560°C下煅燒0.5小時；最 后，將煅燒后的粉末冷卻至室溫，即制得Mn-Ti02/g-C 3N4; 所述的錳鹽為硝酸錳。
[0013] 實(shí)施例4甲苯氣體傳感器的制備 首先，取實(shí)施例1中制備的Mn-Ti02/g-C3N4 100 mg和0.5 mmol硫酸鉀置于研缽中，加入 無水乙醇，研磨至糊狀后均勻涂覆在絕緣陶瓷管表面形成涂膜，在室溫下晾干;然后，將陶 瓷管兩側(cè)的鉑絲以及加熱絲與底座進(jìn)行焊接;最后，將焊接好的元件放置在檢測儀器中，通 過調(diào)節(jié)加熱電壓至4.22V進(jìn)行老化處理，即制得甲苯氣體傳感器，應(yīng)用于甲苯氣體的檢測， 檢出限為0.001 mg/m3。
[0014] 實(shí)施例5甲苯氣體傳感器的制備 首先，取實(shí)施例2中制備的Mn-Ti02/g-C3N4 100 mg和1.2 mmol氯化鉀置于研缽中，加入 無水乙醇，研磨至糊狀后均勻涂覆在絕緣陶瓷管表面形成涂膜，在室溫下晾干;然后，將陶 瓷管兩側(cè)的鉑絲以及加熱絲與底座進(jìn)行焊接;最后，將焊接好的元件放置在檢測儀器中，通 過調(diào)節(jié)加熱電壓至4.22V進(jìn)行老化處理，即制得甲苯氣體傳感器，應(yīng)用于甲苯氣體的檢測， 檢出限為0.001 mg/m3。
[0015] 實(shí)施例6甲苯氣體傳感器的制備 首先，取實(shí)施例3中制備的Mn-Ti02/g-C3N4 100 mg和2.0 mmol硝酸鉀置于研缽中，加入 無水乙醇，研磨至糊狀后均勻涂覆在絕緣陶瓷管表面形成涂膜，在室溫下晾干;然后，將陶 瓷管兩側(cè)的鉑絲以及加熱絲與底座進(jìn)行焊接;最后，將焊接好的元件放置在檢測儀器中，通 過調(diào)節(jié)加熱電壓至4.22V進(jìn)行老化處理，即制得甲苯氣體傳感器，應(yīng)用于甲苯氣體的檢測， 檢出限為0.001 mg/m3。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于非貴金屬摻雜復(fù)合材料的甲苯氣體傳感器的制備方法，所述的非貴金屬摻 雜復(fù)合材料為錳摻雜二氧化鈦納米片原位復(fù)合氮化碳二維納米復(fù)合材料Mn-Ti0 2/g-C3N4; 其特征在于，所述的制備方法包括以下制備步驟： (1) Mn-Ti02/g-C3N4的制備； (2) 甲苯氣體傳感器的制備； 其中，步驟（1)制備Mn-Ti02/g-C3N4的具體步驟為： 首先，取0.8~1.2 mmol錳鹽加入到5 mL鈦酸四丁酯中，攪拌過程中，緩慢加入0.5~0.8 mL氫氟酸，160~200 °C下在反應(yīng)爸中反應(yīng)18~24小時，冷卻至室溫后，用超純水和無水乙醇 離心洗滌三次后，50°C下真空干燥;其次，取150~250 mg干燥后的固體與400mg三聚氰胺混 合，并研磨成粉末;然后，將研磨的粉末放入馬弗爐中，升溫速度為1~3 °C/min，在480~560 °C下煅燒0.5~5小時;最后，將煅燒后的粉末冷卻至室溫，即制得Mn-Ti02/g-C 3N4; 所述的錳鹽選自下列之一:硫酸錳、氯化錳、硝酸錳； 步驟(2)制備甲苯氣體傳感器的具體步驟為： 首先，取步驟（1)中制備的Mn-Ti02/g-C3N4 100 mg和0.5~2.0 mmol鉀鹽置于研缽中，加 入無水乙醇，研磨至糊狀后均勻涂覆在絕緣陶瓷管表面形成涂膜，在室溫下晾干;然后，將 陶瓷管兩側(cè)的鉑絲以及加熱絲與底座進(jìn)行焊接;最后，將焊接好的元件放置在檢測儀器中， 通過調(diào)節(jié)加熱電壓至4.22V進(jìn)行老化處理，即制得甲苯氣體傳感器； 所述的鉀鹽選自下列之一:硫酸鉀、氯化鉀、硝酸鉀。2. 如權(quán)利要求1所述的制備方法所制備的甲苯氣體傳感器的應(yīng)用，其特征在于，可以應(yīng) 用于甲苯氣體的檢測，檢出限為0.001 mg/m3。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種甲苯氣體傳感器的制備方法，具體是基于非貴金屬摻雜復(fù)合材料所構(gòu)建的氣敏傳感器，可用于檢測環(huán)境中甲苯氣體含量。屬于新型納米功能材料與環(huán)境監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明首先制備了一種新型二維納米復(fù)合材料Mn-TiO2/g-C3N4，利用該材料大的比表面積、介孔高氣體吸附特性和電子傳遞受材料表面氣體變化而影響敏感的諸多特性，實(shí)現(xiàn)了對甲苯氣體具有靈敏、快速響應(yīng)的氣敏傳感器的構(gòu)建。
【IPC分類】G01N27/00
【公開號】CN105572176
【申請?zhí)枴緾N201610101734
【發(fā)明人】張勇, 王 琦, 杜斌, 胡麗華, 龐雪輝
【申請人】濟(jì)南大學(xué)
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2016年2月25日