一種納米硫化錫基氣體傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及傳感器領(lǐng)域，具體地，涉及一種納米硫化錫基氨氣傳感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氣敏傳感器中使用的氣敏材料可以分為四類(lèi):第一類(lèi)是金屬氧化物和復(fù)合氧化物半導(dǎo)體，常用的氧化物有Sn02、Zn0、Ti02、a -Fe2O3、WO3、CuO-ZnO異質(zhì)結(jié)等；復(fù)合氧化物有類(lèi)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，如SrT13，尖晶石型鐵氧體，如NiFe2O4 ;第二類(lèi)是由導(dǎo)體和半導(dǎo)體組合而成的，如金屬和半導(dǎo)體接觸構(gòu)成的肖特基二極管、MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管、MIS效應(yīng)晶體管；第三類(lèi)是具有離子導(dǎo)電性的固體電解質(zhì)，如有二價(jià)鎂離子和氧離子構(gòu)成的固體電解質(zhì)、銀離子玻璃；第四類(lèi)是有機(jī)高分子，如聚吡咯、聚酰亞胺、金屬酞菁配合物。目前應(yīng)用最為廣泛，研究最為透徹的是SnO2，金屬硫化物基氣體傳感器還很少，尚處于開(kāi)發(fā)階段。
[0003]傳感器技術(shù)的發(fā)展方向之一是開(kāi)發(fā)已知物質(zhì)的氣敏性能，納米技術(shù)能使一些已知物質(zhì)具有新的特殊功能，可為傳感器提供優(yōu)良的敏感材料。納米氣敏傳感器具有常規(guī)傳感器不可替代的優(yōu)點(diǎn):一是納米固體材料具有龐大的界面，提供了大量氣體通道，從而大大提高了靈敏度；二是工作溫度大為降低；三是縮小了傳感器的尺寸。
[0004]生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化是大型化工廠的發(fā)展方向，對(duì)化工生產(chǎn)實(shí)施自動(dòng)控制的關(guān)鍵是研制出對(duì)原料或產(chǎn)品中某一組分具有靈敏度高、選擇性好的氣體傳感器。這種氣體傳感器能將原料或產(chǎn)品中某一組分濃度變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，輸送給控制設(shè)備，從而對(duì)化工生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。氨氣是重要的化工原料、中間體和產(chǎn)品，涉氨化工生產(chǎn)在化工產(chǎn)業(yè)中占有非常大的比例。開(kāi)發(fā)出靈敏度高、選擇性好的氨氣傳感器是涉氨化工生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的關(guān)鍵。由于化工生產(chǎn)中的氨氣濃度較高，大多在百分濃度范圍，因此，需要一些能對(duì)這一濃度范圍氨氣產(chǎn)生響應(yīng)的氣體傳感器。目前，這一類(lèi)氨氣傳感器有待于開(kāi)發(fā)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種采用超聲波技術(shù)合成的納米硫化錫材料和基于納米硫化錫的氨氣傳感器及其制備方法。
[0006]本發(fā)明所提供的納米硫化錫基氨氣傳感器依次由絕緣陶瓷管、一對(duì)金屬電極、金屬引出導(dǎo)線以及納米硫化錫材料層組成，其中納米硫化錫材料層中包括聚乙烯醇粘結(jié)劑。
[0007]所述絕緣陶瓷管為三氧化二鋁陶瓷管。
[0008]所述金屬電極是由金屬Au所制成的叉指電極，兩電極之間的距離為1mm。
[0009]所述金屬引出線是金屬Pt絲。
[0010]所述納米硫化錫材料層的納米粒子直徑為40-120 nm ;納米硫化錫材料層的厚度為 50 -200 μ m。
[0011]所述納米硫化錫基氣體傳感器的詳細(xì)制備方法，包括下面步驟。
[0012]I)制備硫化錫納米粒子，在80KHz的超聲波下，將SnCl4水溶液與沉淀劑反應(yīng)，所述沉淀劑是Na2S和硫代乙酰胺溶液的任意一種，反應(yīng)溫度為室溫至80°C范圍，SnCl4與Na2S的摩爾比為1:2，SnCl4與硫代乙酰胺的摩爾比為1:4，反應(yīng)結(jié)束后，抽濾，得到黃色沉淀，用蒸餾水洗滌，在120°C干燥得到硫化錫納米粒子。
[0013]2)將步驟I)制備的硫化錫納米粒子與粘結(jié)劑混合，研磨3小時(shí)，稀釋后制成漿料。
[0014]3)將Au漿涂覆于清洗過(guò)的絕緣陶瓷管上制成叉指電極，烘干后焊接金屬引出線。
[0015]4)將步驟2)制備的漿料旋涂到金屬電極和絕緣陶瓷管上制備成納米硫化錫材料層，然后120°C烘干得到傳感器元件。
[0016]有益效果:本發(fā)明提供的納米硫化錫基氨氣傳感器具有選擇性好，響應(yīng)和恢復(fù)快，制作簡(jiǎn)單，不需要燒結(jié)，常溫下工作，耗能低和成本低的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為所述納米硫化錫基氨氣傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中I為三氧化二鋁陶瓷管，2為Pt絲引出線，3為Au叉指電極，4為納米硫化錫材料層。
[0018]圖2為實(shí)施例1制備的納米硫化錫基氨氣傳感器的響應(yīng)度隨氨氣濃度變化曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)描述，但本發(fā)明并不局限于此。
[0020]實(shí)施例1。
[0021]I)稱(chēng)取10.0克SnCl2.2H20 (0.04摩爾)，放入200毫升燒杯中，加10毫升濃鹽酸溶解，此時(shí)，溶液略顯渾濁。在攪拌下將SnCl2溶液加熱至90°C，待SnCl2溶液澄清后。加入濃度為30%的雙氧水30毫升，并加水至200毫升，攪拌2h，于避光環(huán)境中靜置一天，得到SnCl4溶液。在劇烈攪拌下將制備的SnCl4溶液加熱至沸，并保持沸騰20分鐘，隨后將SnCl4溶液置于超聲波恒溫水浴鍋中加熱至80°C，恒溫并劇烈攪拌2小時(shí)，以使殘存的雙氧水量完全分解。開(kāi)啟超聲波，將超聲波頻率調(diào)為80 kHz。取已配好的濃度為1.0摩爾/升的Na2S溶液80毫升，逐滴加入到SnCl4溶液中，SnCl4與Na2S的摩爾比為1: 2，有大量黃色沉淀生成，待其反應(yīng)完全。冷卻至室溫，抽濾，用蒸餾水洗滌沉淀三次，將得到的硫化錫固體放入烘箱，在120°C烘干兩小時(shí)得到硫化錫納米粒子。
[0022]2)將步驟I)制備的硫化錫納米粒子與0.1%的聚乙烯醇混合，研磨3小時(shí)，稀釋后制成衆(zhòng)料。
[0023]3)取三氧化二鋁陶瓷管1，放入濃度為8摩爾/升的氫氧化鈉溶液煮沸30分鐘，冷卻后取出，用蒸餾水沖洗三遍，置于烘箱中烘干。將Au漿涂覆于清洗過(guò)的氧化二鋁陶瓷管上制成Au叉指電極2，烘干，然后將直徑0.1mm的Pt絲焊接到電極上作為引出線3。
[0024]4)將步驟2)制備的漿料旋涂到Au電極和三氧化二鋁陶瓷管上制備成厚度為50μ m的納米硫化錫材料層4，然后在120°C烘干得到傳感器元件。
[0025]實(shí)施例2。
[0026]I)稱(chēng)取10.0克SnCl2.2H20 (0.04摩爾)，放入200毫升燒杯中，加10毫升濃鹽酸溶解，此時(shí)，溶液略顯渾濁。在攪拌下將SnCl2溶液加熱至90°C，待SnCl2溶液澄清后。加入濃度為30%的雙氧水30毫升，并加水至200毫升，攪拌2h，于避光環(huán)境中靜置一天，得到SnCl4溶液。在劇烈攪拌下將制備的SnCl4溶液加熱至沸，并保持沸騰20分鐘，隨后將SnCl4溶液置于超聲波恒溫水浴鍋中加熱至80°C，恒溫并劇烈攪拌2小時(shí)，以使殘存的雙氧水量完全分解。冷卻至室溫后再開(kāi)啟超聲波，將超聲波頻率調(diào)為80 kHz。取已配好的濃度為1.0摩爾/升的Na2S溶液80毫升，在室溫下逐滴加入到SnCl4溶液中，SnCl4與Na2S的摩爾比為1:2，有大量黃色沉淀生成。待其反應(yīng)完全，抽濾，用蒸餾水洗滌沉淀三次，將得到的硫化錫固體放入烘箱，在120°C烘干兩小時(shí)得到硫化錫納米粒子。
[0027]2)將步驟I)制備的硫化錫納米粒子與0.1%的聚乙烯醇混合，研磨2.5小時(shí)，稀釋后制成衆(zhòng)料。
[0028]3)取三氧化二鋁陶瓷管1，放入濃度為8摩爾/升的氫氧化鈉溶液煮沸30分鐘，冷卻后取出，用蒸餾水沖洗三遍，置于烘箱中烘干。將Au漿涂覆于清洗過(guò)的氧化二鋁陶瓷管上制成叉指電極2，烘干，然后將直徑0.1mm的Pt絲焊接到電極上作為引出線3。
[0029]4)將步驟2)制備的漿料旋涂到Au電極和三氧化二鋁陶瓷管上制備成厚度為120μ m的納米硫化錫材料層4，然后在120°C烘干得到傳感器元件。
[0030]實(shí)施例3。
[0031]I)稱(chēng)取10.0克SnCl2.2H20 (0.04摩爾)，放入200毫升燒杯中，加10毫升濃鹽酸溶解，此時(shí)，溶液略顯渾濁。在攪拌下將SnCl2溶液加熱至90°C，待SnCl2溶液澄清后。加入濃度為30%的雙氧水30毫升，并加水至200毫升，攪拌2h，于避光環(huán)境中靜置一天，得到SnCl4溶液。在劇烈攪拌下將制備的SnCl4溶液加熱至沸，并保持沸騰20分鐘，隨后將SnCl4溶液置于超聲波恒溫水浴鍋中加熱至80°C，恒溫并劇烈攪拌2小時(shí)，以使殘存的雙氧水量完全分解。開(kāi)啟超聲波，將超聲波頻率調(diào)為80 kHz。取已配好的濃度為1.0摩爾/升的硫代乙酰胺溶液160毫升，逐滴加入到SnCl4溶液中，SnCl4與硫代乙酰胺的摩爾比為1:4，有黃色沉淀緩慢生成并逐步增多，待其反應(yīng)完全。冷卻至室溫，抽濾，用蒸餾水洗滌沉淀三次，將得到的硫化錫固體放入烘箱，在120°C烘干兩小時(shí)得到硫化錫納米粒子。
[0032]2)將步驟I)制備的硫化錫納米粒子與0.1%的聚乙烯醇混合，研磨2小時(shí)，稀釋后制成衆(zhòng)料。
[0033]3)取三氧化二鋁陶瓷管1，放入濃度為8摩爾/升的氫氧化鈉溶液煮沸30分鐘，冷卻后取出，用蒸餾水沖洗三遍，置于烘箱中烘干。將Au漿涂覆于清洗過(guò)的氧化二鋁陶瓷管上制成叉指電極2，烘干，然后將直徑0.1mm的Pt絲焊接到電極上作為引出線3。
[0034]4)將步驟2)制備的漿料旋涂到Au電極和三氧化二鋁陶瓷管上制備成厚度200 μ m的納米硫化錫材料層4，然后在120°C烘干得到傳感器元件。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種氣體傳感器，其特征在于:依次由絕緣陶瓷管、一對(duì)金屬電極、金屬引出導(dǎo)線以及納米硫化錫材料層組成，其中納米硫化錫材料層中包括一種聚乙烯醇粘結(jié)劑。2.由權(quán)利要求1所述的氣體傳感器是一種氨氣傳感器，其特征在于:所述的絕緣陶瓷管為三氧化二招陶瓷管。3.由權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于:所述的金屬電極由金屬Au制成的叉指電極，兩電極之間的距離為1mm。4.由權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于:所述的金屬引出線是金屬Pt絲。5.由權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于:所述納米硫化錫材料層的納米粒子直徑為40-120 nm ;所述納米硫化錫材料層的厚度為50-200 μ m。6.制備權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述氣體傳感器的方法，包括下面步驟: 1)制備硫化錫納米粒子，以濃度為30%的雙氧水作氧化劑，在90°C氧化SnCl2溶液得到SnCl4溶液，在80KHz的超聲波下，將制備的SnCl4水溶液與沉淀劑反應(yīng)，所述沉淀劑是Na2S和硫代乙酰胺溶液的任意一種，反應(yīng)溫度為室溫至80°C范圍，SnCl4與Na2S的摩爾比為1: 2，SnCl4與硫代乙酰胺的摩爾比為1: 4，反應(yīng)結(jié)束，抽濾，得到黃色沉淀，用蒸餾水洗滌，120°C干燥得到硫化錫納米粒子； 2)將步驟I)制備的硫化錫納米粒子與粘結(jié)劑混合，研磨2-3小時(shí)，稀釋后制成漿料； 3)將Au漿涂覆于清洗后的絕緣陶瓷管上，烘干后焊接金屬引出線； 4)將步驟2)制備的漿料旋涂于金屬電極和絕緣陶瓷管上制備成納米硫化錫材料層，然后120°C烘干得到傳感器元件。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種納米硫化錫基氣體傳感器及其制備方法。所述傳感器組成包括：絕緣陶瓷管，設(shè)于絕緣陶瓷管上的一對(duì)金屬電極和金屬引出導(dǎo)線以及噴涂于金屬電極上氣敏材料層，其中氣敏材料層由納米硫化錫組成。納米硫化錫的制備是以濃度為30%的雙氧水作氧化劑，在90℃氧化SnCl2水溶液得到SnCl4溶液，再將制得的SnCl4水溶液與硫代乙酰胺或硫化鈉水溶液在超聲波存在下反應(yīng)。該傳感器對(duì)氨氣有很好的選擇性，響應(yīng)和恢復(fù)快，免燒結(jié)，能在室溫下工作。可以用來(lái)測(cè)定百分濃度范圍的氨氣和涉氨生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制。
【IPC分類(lèi)】G01N27/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105651814
【申請(qǐng)?zhí)枴?br>【發(fā)明人】傅鐵祥
【申請(qǐng)人】長(zhǎng)沙理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年6月8日
【申請(qǐng)日】2014年11月12日