CN101566597B - 用于检测空气中氨浓度的氨敏材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
用于检测空气中氨浓度的氨敏材料的制备方法，其特征在于采用以下步骤：将P型掺硼硅片固定在电解池中，以乙醇和氢氟酸作为电解液，以硅片为阳极，铂电极为阴极，在一定电流条件下进行电解刻蚀；将刻蚀后的硅片在600℃下快速热氧化处理；在多孔硅片表面均匀地涂覆羧甲基纤维素丙酮溶液，成膜后浸泡于酸碱敏感染料溶液中，取出干燥后，制成所需的氨敏材料。本发明与现有技术比较，具有如下突出的优点：1)多孔材料比表面积大，灵敏度高；2)工作温度为常温；3)信号响应及恢复速度快；4)本氨敏材料的半峰宽度可以控制在10nm以内，分辨率高；5)使用寿命为4年；6)体积小，利于传感器的微型化，集成化。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测氨浓度的氨敏材料，特别涉及一种用于检测空气中氨浓度的氨敏材料的制备方法。
背景技术
目前工业环保领域普遍使用的各类传感器检测原理各不相同，主要分为三大类：(1)利用物理化学性质的气体传感器：如半导体式(包含表面控制型，体积控制型，表面电位型)，催化燃烧式，固体热导式等；(2)利用物理性质的气体传感器：如热传导式，光干涉式，红外吸收式等；(3)利用电化学性质的气体传感器：如定电位电解式，迦伐尼电池式，隔膜离子电极式，固定电解质式等。各类气体传感器的适用对象也各不相同，并且都存在一些不可避免的技术缺陷。
半导体气体传感器是采用金属氧化物或金属半导体氧化物材料做成的元件，与气体相互作用时产生表面吸附或化学反应，引起以载流子运动为特征的电导率或者伏安特性或者表面电位变化。这些都是由材料的半导体性质决定的。它具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。不足之处是必须工作于高温下、对气味或气体的选择性差、元件参数分散、稳定性不够理想、功率要求高，容易中毒。
光学式气体传感器包括红外吸收型、光谱吸收型、荧光型光纤化学材料型等，主要以红外吸收型气体分析仪为主，由于不同气体的红外吸收峰不同，通过测量和分析红外吸收峰来检测气体。荧光型光纤气敏传感器的主要部分是两端涂有光学活性物质的玻璃光纤，活性物质中含有固定在有机聚合物基质上的荧光染料，当气体与荧光染料发生作用时，染料极性发生变化，使荧光发射光谱位移，用光脉冲照射传感器时，荧光染料会发射不同频率的光，检测荧光染料发射的光，可检测特定气体的含量。
电化学式传感器是目前被广泛使用的另一类检测毒气的传感器，电化学传感器中一般用到的材料有各种电解质或者气敏电极材料。但是电化学传感器中由于电解液的蒸发或污染常会导致传感器信号衰减，使得实际使用寿命缩短。近年来，国外在高分子气敏材料的研究和开发上有了很大的进展，例如，高分子电阻式气体传感器是通过测量高分子气敏材料的电阻来测量气体的体积分数。目前的材料主要有酞菁聚合物、LB膜、聚吡咯等，其优点是制作工艺简单、成本低廉，但这种气体传感器要通过电聚合过程来激活，这既耗费时间，又会引起各批次产品之间的性能差异。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种用于检测空气中氨浓度的氨敏材料的制备方法，该方法工艺步骤简单，通过本方法制备的氨敏材料具有信号响应及恢复速度快，性能稳定，使用寿命长的优点。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：用于检测空气中氨浓度的氨敏材料的制备方法，其特征在于采用以下步骤：
A)将P型掺硼硅片固定在电解池中，按体积比为1∶4～6的比例加入乙醇和重量浓度为40％的氢氟酸作为电解液，以硅片为阳极，铂电极为阴极，进行电解刻蚀，设定电流强度波动范围为15～75mA，每个波动周期为5秒，重复波动次数为30～75次，刻蚀后的硅片用乙醇冲洗干净，再用氮气吹干；
B)将上述刻蚀后的硅片在600℃下快速热氧化处理1小时，形成表面具有反射和光过滤性能的多孔硅片；
C)在多孔硅片表面均匀地涂覆重量浓度为5％的羧甲基纤维素丙酮溶液，成膜后将多孔硅片浸泡于重量浓度为1～5mg/mL的酸碱敏感染料溶液中，浸泡时间为5～30分钟，取出干燥后，制成所需的氨敏材料，酸碱敏感染料采用溴酚蓝、溴百里香酚蓝、溴甲酚绿、溴甲酚紫、次甲基蓝中的任意一种；氨敏材料表面的反射光谱半峰宽度为5～40nm。
利用本发明的氨敏材料制成的氨敏传感器，还可以检测乙醚、甲醇、甲醛等有机小分子气体。
同现有技术比较，本发明具有如下突出的优点：1)多孔材料的孔径为纳米级，这种纳米固体材料具有庞大的界面，提供了大量气体通道，从而大大提高了灵敏度；2)本发明的氨敏材料在常温下使用，大大降低了传感器工作温度；3)对于有毒有害及易燃气体呈化学惰性，气体在材料表面的吸附和脱附可逆性极好，响应时间为40s，恢复时间不大于1min，信号响应及恢复速度比其他类型的传感材料明显要快；4)本氨敏材料为表面规整，孔径大小均匀的高光反射性材料，其反射波长的半峰宽度可以控制在10nm以内，因而分辨率高；5)本氨敏材料制成的传感器的使用寿命为4年，优于现有的同类传感器；6)使用本氨敏材料做成的传感器体积小，利于传感器的微型化，集成化。
具体实施方式
实施例1：
用于检测空气中氨浓度的氨敏材料的制备方法，其特征在于采用以下步骤：
A)将P型掺硼硅片固定在电解池中，按体积比为1∶4的比例加入乙醇和重量浓度为40％的氢氟酸作为电解液，以硅片为阳极，铂电极为阴极，进行电解刻蚀，设定电流强度波动范围为15～75mA，每个波动周期为5秒，重复波动次数为75次，刻蚀后的硅片用乙醇冲洗干净，再用氮气吹干；
B)将上述刻蚀后的硅片在600℃下快速热氧化处理1小时，形成表面具有反射和光过滤性能的多孔硅片；
C)在多孔硅片表面均匀地涂覆重量浓度为5％的羧甲基纤维素丙酮溶液，成膜后将多孔硅片浸泡于重量浓度为1mg/mL的溴酚蓝溶液中，浸泡时间为30分钟，取出干燥后，制成所需的氨敏材料。
实施例2：
用于检测空气中氨浓度的氨敏材料的制备方法，其特征在于采用以下步骤：
A)将P型掺硼硅片固定在电解池中，按体积比为1∶5的比例加入乙醇和重量浓度为40％的氢氟酸作为电解液，以硅片为阳极，铂电极为阴极，进行电解刻蚀，设定电流强度波动范围为15～75mA，每个波动周期为5秒，重复波动次数为60次，刻蚀后的硅片用乙醇冲洗干净，再用氮气吹干；
B)将上述刻蚀后的硅片在600℃下快速热氧化处理1小时，形成表面具有反射和光过滤性能的多孔硅片；
C)在多孔硅片表面均匀地涂覆重量浓度为5％的羧甲基纤维素丙酮溶液，成膜后将多孔硅片浸泡于重量浓度为3mg/mL的溴百里香酚蓝溶液中，浸泡时间为20分钟，取出干燥后，制成所需的氨敏材料。
实施例3：
用于检测空气中氨浓度的氨敏材料的制备方法，其特征在于采用以下步骤：
A)将P型掺硼硅片固定在电解池中，按体积比为1∶6的比例加入乙醇和重量浓度为40％的氢氟酸作为电解液，以硅片为阳极，铂电极为阴极，进行电解刻蚀，设定电流强度波动范围为15～75mA，每个波动周期为5秒，重复波动次数为30次，刻蚀后的硅片用乙醇冲洗干净，再用氮气吹干；
B)将上述刻蚀后的硅片在600℃下快速热氧化处理1小时，形成表面具有反射和光过滤性能的多孔硅片；
C)在多孔硅片表面均匀地涂覆重量浓度为5％的羧甲基纤维素丙酮溶液，成膜后将多孔硅片浸泡于重量浓度为4mg/mL的溴甲酚绿溶液中，浸泡时间为10分钟，取出干燥后，制成所需的氨敏材料。
实施例4：
用于检测空气中氨浓度的氨敏材料的制备方法，其特征在于采用以下步骤：
A)将P型掺硼硅片固定在电解池中，按体积比为1∶5的比例加入乙醇和重量浓度为40％的氢氟酸作为电解液，以硅片为阳极，铂电极为阴极，进行电解刻蚀，设定电流强度波动范围为15～75mA，每个波动周期为5秒，重复波动次数为40次，刻蚀后的硅片用乙醇冲洗干净，再用氮气吹干；
B)将上述刻蚀后的硅片在600℃下快速热氧化处理1小时，形成表面具有反射和光过滤性能的多孔硅片；
C)在多孔硅片表面均匀地涂覆重量浓度为5％的羧甲基纤维素丙酮溶液，成膜后将多孔硅片浸泡于重量浓度为5mg/mL的溴甲酚紫溶液中，浸泡时间为5分钟，取出干燥后，制成所需的氨敏材料。
实施例5：
用于检测空气中氨浓度的氨敏材料的制备方法，其特征在于采用以下步骤：
A)将P型掺硼硅片固定在电解池中，按体积比为1∶5的比例加入乙醇和重量浓度为40％的氢氟酸作为电解液，以硅片为阳极，铂电极为阴极，进行电解刻蚀，设定电流强度波动范围为15～75mA，每个波动周期为5秒，重复波动次数为50次，刻蚀后的硅片用乙醇冲洗干净，再用氮气吹干；
B)将上述刻蚀后的硅片在600℃下快速热氧化处理1小时，形成表面具有反射和光过滤性能的多孔硅片；
C)在多孔硅片表面均匀地涂覆重量浓度为4％的羧甲基纤维素丙酮溶液，成膜后将多孔硅片浸泡于重量浓度为4mg/mL的次甲基蓝溶液中，浸泡时间为10分钟，取出干燥后，制成所需的氨敏材料。
Claims (1)
1.一种用于检测空气中氨浓度的氨敏材料的制备方法，其特征在于采用以下步骤：
A)、将P型掺硼硅片固定在电解池中，按体积比为1∶4～6的比例加入乙醇和重量浓度为40％的氢氟酸作为电解液，以硅片为阳极，铂电极为阴极，进行电解刻蚀，设定电流强度波动范围为15～75mA，每个波动周期为5秒，重复波动次数为30～75次，刻蚀后的硅片用乙醇冲洗干净，再用氮气吹干；
B)、将上述刻蚀后的硅片在600℃下快速热氧化处理1小时，形成表面具有反射和光过滤性能的多孔硅片；
C)、在多孔硅片表面均匀地涂覆重量浓度为5％的羧甲基纤维素丙酮溶液，成膜后将多孔硅片浸泡于重量浓度为1～5mg/mL的酸碱敏感染料溶液中，浸泡时间为5～30分钟，取出干燥后，制成所需的氨敏材料；酸碱敏感染料采用溴酚蓝、溴百里香酚蓝、溴甲酚绿、溴甲酚紫、次甲基蓝中的任意一种。
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