基氨氣傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提供的Bi2S3基氨氣傳感器，涉及傳感器領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于納米Bi2S3的氨氣傳感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氣敏傳感器被廣泛地應(yīng)用于有毒和可燃性氣體泄漏報(bào)警、環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)等方面。目前使用的各種氣體傳感器按氣敏特性主要分為:半導(dǎo)體型、電化學(xué)型、固體電解質(zhì)型、接觸燃燒型、光化學(xué)型等五類，其中，半導(dǎo)體氣體傳感器是采用金屬氧化物或金屬半導(dǎo)體氧化物材料做成的元件，與氣體相互作用時(shí)產(chǎn)生表面吸附或反應(yīng)，引起以載流子運(yùn)動(dòng)為特征的電導(dǎo)率或伏安特性或表面電位變化。其變化值與被測(cè)氣體的濃度相關(guān)。為改善氣敏元件的選擇性和靈敏度，往往在金屬氧化物中添加貴金屬作為催化劑。這類器件制造工藝簡(jiǎn)單、成本低。但工作溫度高，環(huán)境對(duì)它的測(cè)量影響比較大。
[0003]氨氣是一種難聞的有毒氣體，對(duì)人和動(dòng)物的口腔和呼吸道具有較強(qiáng)的刺激性和腐蝕性，高濃度氨氣甚至?xí)氯怂劳?，即使環(huán)境中較低濃度的氨氣也會(huì)對(duì)人和動(dòng)物的健康造成嚴(yán)重危害。因此，如何快速檢測(cè)環(huán)境中氨氣，為空氣環(huán)境的治理提供必要的數(shù)據(jù)依據(jù)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
[0004]然而，氨氣也是重要的化工原料、中間體和產(chǎn)品，其生產(chǎn)量在化工產(chǎn)業(yè)中占有非常大的比例。隨著生產(chǎn)和科學(xué)研究對(duì)材料和產(chǎn)品純度的要求越來(lái)越高,需要生產(chǎn)高質(zhì)量的化工產(chǎn)品。這就需要對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行非常精密的自動(dòng)控制。對(duì)涉氨化工生產(chǎn)實(shí)施自動(dòng)控制的關(guān)鍵是研制出對(duì)原料或產(chǎn)品中氨氣具有靈敏度高、選擇性好的氨氣傳感器。這種傳感器能將原料或產(chǎn)品中氨氣濃度變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，輸送給控制設(shè)備，從而對(duì)涉氨化工生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。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，需要一種能對(duì)這一濃度范圍氨氣產(chǎn)生響應(yīng)的氣體傳感器。目前，這一類氨氣傳感器十分缺乏。

【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，提供一種基于納米Bi2S3的氨氣傳感器及其制備方法。
[0006]本發(fā)明所提供的納米Bi2S3氨氣傳感器依次由絕緣基片、一對(duì)金屬電極、金屬引出導(dǎo)線以及納米Bi2S3材料層組成，其中納米Bi 2S3材料層中包括聚乙烯醇粘結(jié)劑。
[0007]所述絕緣基片包括三氧化二鋁陶瓷基片，二氧化硅陶瓷基片，玻璃基片，酚醛塑料基片/或電木基片。
[0008]所述金屬電極是由金屬Pt和Au任意一種所制成的叉指電極，兩電極之間的距離為 Imm0
[0009]所述金屬引出線由金屬Pt和Au的任意一種制成。
[0010]所述納米Bi2S3材料層的納米粒子直徑為20-160 nm ;納米Bi 2S3材料層的厚度為5 -50 μ m0
[0011]所述納米Bi2S3氨氣傳感器的詳細(xì)制備方法，包括下面步驟。
[0012]I)制備Bi2S3納米粒子，在40KHz的超聲波下，將Bi (NO3) 3水溶液與H2S氣體或Na2S溶液的任意一種反應(yīng)，反應(yīng)溫度為室溫至50°C范圍，Bi (NO3)3與硫化物的的摩爾比為1:1，反應(yīng)結(jié)束離心分離得到棕黑色沉淀，用蒸餾水洗滌，干燥得到Bi2S3納米粒子。
[0013]2)將步驟I)制備的Bi2S3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。
[0014]3)將Au漿或Pt漿涂覆于絕緣基片上制成叉指電極，烘干后焊接金屬引出線。
[0015]4)將步驟2)制備的漿料用電動(dòng)噴槍噴涂到金屬電極和基片上制備成納米Bi2S3材料層，然后烘干得到傳感器元件。
[0016]有益效果:本發(fā)明提供的納米Bi2S3氨氣傳感器具有響應(yīng)度高，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為實(shí)施例1制備的Bi2S3納米粒子掃描電鏡照片。
[0018]圖2為實(shí)施例1制備的納米Bi2S3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)施例一。
[0021]I)稱取9.7克(0.02摩爾)的Bi (NO3)3.5Η20，放入300mL燒杯中，加入20毫升稀硝酸溶解，然后稀釋到100毫升。將溶解好的Bi (NO3)3溶液在超聲波恒溫水浴鍋中加熱至50°C，將超聲波頻率調(diào)為40 kHz，攪拌下將濃度0.3摩爾/升的Na2S溶液100毫升逐滴加入到Bi (NO3)3溶液中，Bi (NO 3)3與Na 2S的摩爾比為2: 3。此時(shí)，有大量棕黑色Bi2S3沉淀生成，待反應(yīng)完畢后，冷卻至室溫，抽濾，用蒸餾水洗滌三次，將得到的Bi2S3固體放入烘箱，在150°C烘干四小時(shí)。
[0022]2)將步驟I)制備的Bi2S3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。
[0023]3)取三氧化二鋁陶瓷基片，放入濃度為6摩爾/升的氫氧化鈉溶液煮沸20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)的氧化二鋁陶瓷基片上制成叉指電極，烘干，然后將直徑0.1mm的Pt絲焊接到電極上作為引出線。
[0024]4)將步驟2)制備的漿料用電動(dòng)噴槍噴涂到Au電極和三氧化二鋁陶瓷基片上制備成厚度為5 μ m的納米Bi2S3材料層，然后在120°C烘干得到傳感器元件。
[0025]實(shí)施例二。
[0026]I)稱取9.7克(0.02摩爾)的Bi (NO3)3.5Η20，放入300mL燒杯中，加入20毫升稀硝酸溶解，然后稀釋到100毫升。將溶解好的Bi (NO3)3溶液置于超聲波恒溫水浴鍋中，將超聲波頻率調(diào)為40 kHz，室溫條件下將濃度0.3摩爾/升的Na2S溶液100毫升逐滴加入到Bi (NO3)3溶液中，Bi (NO3)^Na2S的摩爾比為2:3。此時(shí)，有大量棕黑色Bi2S3沉淀生成，待反應(yīng)完畢后，冷卻至室溫，抽濾，用蒸餾水洗滌三次，將得到的Bi2S3固體放入烘箱，在150°C烘干四小時(shí)。
[0027]2)將步驟I)制備的Bi2S3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。
[0028]3)取玻璃基片，放入濃度為6摩爾/升的氫氧化鈉溶液煮沸20分鐘，冷卻后取出，用蒸餾水沖洗三遍，置于烘箱中烘干。將Pt漿涂覆于清洗過(guò)的玻璃基片上制成叉指電極，烘干，然后將直徑0.1mm的Pt絲焊接到電極上作為引出線。
[0029]4)將步驟2)制備的漿料用電動(dòng)噴槍噴涂到Pt電極和玻璃基片上制備成厚度為20 μ m納米的Bi2S3材料層，然后在120°C烘干得到傳感器元件。
[0030]實(shí)施例三。
[0031]I)稱取9.7克(0.02摩爾)的Bi (NO3)3.5Η20，放入300mL磨口燒瓶中，加入20毫升稀硝酸溶解，然后稀釋到100毫升。蓋上帶雙導(dǎo)管的磨口玻璃塞后，將裝有Bi (NO3)3溶液的燒瓶移入超聲波恒溫水浴鍋中加熱至50°C，將超聲波頻率調(diào)為40 kHz。將燒瓶導(dǎo)管與裝有H2S氣體的鋼瓶連接好，將0.03摩爾H2S氣體緩慢通入到Bi (NO3) 3溶液中，Bi (NO 3) 3與H2S的摩爾比為2:3，尾氣導(dǎo)入裝在另一容器的氫氧化鈉溶液(濃度為6摩爾/升)中，使其被吸收掉。反應(yīng)過(guò)程中有大量棕黑色Bi2S3沉淀生成，待反應(yīng)完畢后，冷卻至室溫，抽濾，用蒸餾水洗滌三次，將得到的Bi2S3固體放入烘箱，在150°C烘干四小時(shí)。
[0032]2)將步驟I)制備的Bi2S3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)取二氧化硅基片，放入濃度為6摩爾/升的氫氧化鈉溶液煮沸20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)的玻璃基片上制成叉指電極，烘干，然后將直徑0.1mm的Au絲焊接到電極上作為引出線。
[0034]4)將步驟2)制備的漿料用電動(dòng)噴槍噴涂到Au電極和二氧化硅基片上制備成厚度為35 μ m的納米Bi2S3材料層，然后在120°C烘干得到傳感器元件。
[0035]實(shí)施例四。
[0036]I)稱取9.7克(0.02摩爾)的Bi (NO3)3.5Η20，放入300mL磨口燒瓶中，加入20毫升稀硝酸溶解，然后稀釋到100毫升。蓋上帶雙導(dǎo)管的磨口玻璃塞后，將裝有Bi (NO3)3溶液的燒瓶移入超聲波恒溫水浴鍋中，將超聲波頻率調(diào)為40 kHz。將燒瓶導(dǎo)管與裝有H2S氣體的鋼瓶連接好，常溫下將0.03摩爾H2S氣體緩慢通入到Bi (NO3) 3溶液中，Bi (NO 3) 3與H 2S的摩爾比為2:3。尾氣導(dǎo)入裝在另一容器的氫氧化鈉溶液(濃度為6摩爾/升)中，使其被吸收掉。反應(yīng)中有大量棕黑色Bi2S3沉淀生成，待反應(yīng)完畢后，冷卻至室溫，抽濾，用蒸餾水洗滌三次，將得到的Bi2S3固體放入烘箱，在150°C烘干四小時(shí)。
[0037]2)將步驟I)制備的Bi2S3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。
[0038]3)取三氧化二鋁陶瓷基片，放入濃度為6摩爾/升的氫氧化鈉溶液煮沸20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)的三氧化二鋁陶瓷基片上制成叉指電極，烘干，然后將直徑0.1mm的Pt絲焊接到電極上作為引出線。
[0039]4)將步驟2)制備的漿料用電動(dòng)噴槍噴涂到Au電極和基片上制備成厚度為50 μ m納米的Bi2S3材料層，然后在120°C烘干得到傳感器元件。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種Bi 2S3基氨氣傳感器,其特征在于:依次由絕緣基片、一對(duì)金屬電極、金屬引出導(dǎo)線以及納米Bi2S3材料層組成，其中納米Bi 2S3材料層中包括一種聚乙烯醇粘結(jié)劑。2.由權(quán)利要求1所述的氨氣傳感器，其特征在于:所述的絕緣基片包括三氧化二鋁陶瓷基片，二氧化硅陶瓷基片，玻璃基片，酚醛塑料基片/或電木基片。3.由權(quán)利要求1所述的氨氣傳感器，其特征在于:所述的金屬電極由金屬Pt和Au任意一種制成的叉指電極，兩電極之間的距離為1_。4.由權(quán)利要求1所述的氨氣傳感器，其特征在于:所述的金屬引出線由金屬Pt和Au的任意一種制成。5.由權(quán)利要求1所述的氨氣傳感器，其特征在于:所述納米Bi2S3材料層的納米粒子直徑為20-160 nm ;所述納米Bi2S3材料層的厚度為5_50 μ m。6.制備權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述氨氣傳感器的方法，包括下面步驟: 1)制備Bi2S3納米粒子，在40KHz的超聲波下，將Bi(NO 3) 3水溶液與硫化物沉淀劑反應(yīng)，所述沉淀劑是H2S氣體和Na2S溶液的任意一種，反應(yīng)溫度為室溫至50°C范圍，Bi (NO3) 3與硫化物的的摩爾比為，2: 3，反應(yīng)結(jié)束，抽濾，得到棕黑色沉淀，用蒸餾水洗滌，干燥得到Bi2S3納米粒子； 2)將步驟I)制備的Bi2S3納米粒子與粘結(jié)劑混合，研磨2小時(shí)，稀釋后制成漿料； 3)將Au漿或Pt漿涂覆于絕緣基片上，烘干后焊接金屬引出線； 4)將步驟2)制備的漿料用電動(dòng)噴槍噴涂到金屬電極和基片上制備成納米Bi2S3材料層，然后烘干得到傳感器元件。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種Bi2S3基氨氣傳感器及其制備方法。所述傳感器組成包括：絕緣基片，設(shè)于絕緣基片上的一對(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。氣敏材料層由Bi2S3納米粒子和粘結(jié)劑聚乙烯醇組成，納米Bi2S3通過(guò)硝酸鉍水溶液與硫化氫氣體或硫化鈉水溶液在超聲波存在的條件下反應(yīng)制備。該傳感器對(duì)氨氣有很好的選擇性，免燒結(jié)，能在室溫下工作?？梢杂脕?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】G01N27/407, G01N27/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105651844
【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