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一种β-AgVO3纳米线硫化氢气敏材料及其用于制作气敏传感器的方法 Download PDF

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Abstract

一种β-AgVO3纳米线硫化氢气敏材料及其用于制作气敏传感器的方法。β-AgVO3纳米线的直径为100～700nm、长达15～40微米。基于单根β-AgVO3纳米线的硫化氢气敏传感器的制法：以V2O5溶胶和Ag2O粉末物质的量之比为1∶1为原料，采用流变相自组装法制备得到β-AgVO3纳米线产物；用电子束刻蚀和真空蒸镀将金电极沉积到表面有一层30～100nm厚的SiO2的Si基片上；将β-AgVO3纳米线产物置于乙醇中超声分散后滴在表面有一层30～100nm厚的SiO2的Si基片上，选取分散较好的单根β-AgVO3纳米线定位在金电极上；采用聚焦离子束技术在两端电极接触点沉积一层300～600nm厚的金属Pt，即制得单根β-AgVO3纳米线的硫化氢气敏器件。本气敏传感器件，对硫化氢气体分辨率高，响应时间短，灵敏度高，选择性好，工作温度相对较低。

Description

一种β-AgVO3纳米线硫化氢气敏材料及其用于制作气敏传感器的方法
技术领域
本发明属于纳米材料与气敏传感器技术领域，具体涉及一种基于单根β-AgVO3纳米线的硫化氢气敏传感器的制作方法。
背景技术
硫化氢是广泛存在于石油、化工生产过程中的一种有恶臭气味的气体，是大气的主要污染物之一。硫化氢有剧毒，是有强烈神经性和窒息性的气体，在较低浓度就能使人产生不适，当浓度高于250ppm时则能导致人的死亡，对它的监测是国内外研究的热点之一，开发有效而可靠的H2S气敏传感器十分有必要。
目前报道的可检测H2S气体的敏感材料主要有SnO2系、ZnO系、ZnS系、WO3系，以及具有特定结构的复合氧化物。在国内对于硫化氢气敏传感器以传统的旁热式气敏元件为主，且还处于探索、研究阶段，尚未形成商业化。而气敏材料的开发是气敏传感器件研究领域里的最为关键部分。
β-AgVO3纳米线作为一种复合氧化物纳米材料，其V4+和V5+共存的混合型空位结构、大的比表面积使其对外界环境因素十分敏感，表面气体吸附会引起表面、界面离子、电子输运变化，进而导致电阻发生变化，因此在气敏传感器方面有潜在的应用，对于开发高灵敏度、高分辨率、响应速度快、成本低、能耗小的气敏传感器具有重大意义。
发明内容
本发明的目的针对上述技术问题而提出一种响应快、能有效检测硫化氢气体的气敏材料及器件制作方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种硫化氢气敏材料，其特征在于它为β-AgVO3，具有纳米线的一维结构，直径为100～700nm、长达15～40微米。
本发明的硫化氢气敏材料的制备方法，包括有以下步骤：
1)将V2O5粉末在800℃加热30分钟，使其融化后倒入冷水中搅拌均匀，加热至沸并不停搅拌，冷却后抽滤三次，将滤液静置一天得到V2O5溶胶，标定其浓度，浓度范围为0.0215～0.0429mol/L，备用；
2)将步骤1)得到的V2O5溶胶与Ag2O粉末按物质的量之比为1∶1混合，室温下搅拌0.5～1小时，然后置于超声波清洗器中以50W的功率超声处理0.5～1小时，得到流变相物质；
3)将步骤2)得到的流变相物质移入聚四氟乙烯衬底的不锈钢反应釜中，在180℃温度下恒温24小时，然后自然冷却，得到水热产物；
4)将步骤3)得到的水热产物过滤，用去离子水洗涤3次以上；
5)将步骤4)过滤洗涤的产物在80℃干燥12～24小时得到硫化氢气敏材料β-AgVO3纳米线。
3.用本发明的硫化氢气敏材料制作硫化氢气敏传感器的方法，其特征在于，基于单根β-AgVO3纳米线的硫化氢气敏传感器的制作包括如下步骤：
1)用电子束刻蚀和真空蒸镀将金电极沉积到表面有一层30-100nm厚的SiO2的Si基片上；
2)将β-AgVO3纳米线置于乙醇中超声分散后滴在表面有一层30～100nm厚的SiO2的Si基片上，选取分散较好的单根β-AgVO3纳米线定位在金电极上；
3)采用聚焦离子束技术在两端电极接触点沉积一层300～600nm厚的金属Pt，即制得单根β-AgVO3纳米线的硫化氢气敏传感器件。
本发明的有益效果是：本发明提出了一种新的硫化氢气敏材料，基于该材料制作的单根纳米线气敏传感器，对硫化氢气体分辨率高，响应时间短，灵敏度高，选择性好，对H2、CO等均无明显响应，工作温度相对较低。
本发明中β-AgVO3结构由X-射线衍射仪确定。X-射线衍射图谱表明，由流变相自组装技术制备的β-AgVO3为单斜结构，图谱中没有其他物质的存在，说明产物为纯相β-AgVO3。场发射扫描电镜测试表明，流变相自组装技术制备的β-AgVO3纳米材料为直径为100～700nm、长达15～40微米的纳米线。
由本发明的硫化氢气敏材料制得的硫化氢气敏器件主要技术指标如下：
1)器件检测范围：50ppm～400ppm(气体浓度)；
2)器件工作温度：250℃；
3)检测灵敏度：S＝RAr/Rg＝1.04～1.14；
4)器件响应时间：≤10s；
5)器件恢复时间：≤20s。
附图说明
图1是实施例1的β-AgVO3纳米线产物的XRD图；
图2是实施例1的β-AgVO3纳米线产物的FESEM图；
图3是实施例1的气敏传感器的电阻响应曲线；
图4是实施例1的气敏传感器的灵敏度与硫化氢浓度的关系曲线；
图5是实施例1的气敏传感器的对不同硫化氢浓度的响应/恢复时间；
图6是硫化氢气体传感器气敏元件的结构示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面举例进一步阐明本发明的内容。
实施例1：
单根β-AgVO3纳米线硫化氢气敏传感器的制备：
1)将V2O5粉末在800℃加热30分钟，使其融化后倒入冷水中搅拌均匀，加热至沸并不停搅拌，冷却后抽滤三次，将滤液静置一天得到V2O5溶胶，标定其浓度，浓度为0.0215mol/L V2O5溶胶，备用；
2)将步骤1)得到的0.0215mol/L V2O5溶胶50mL与0.2491g Ag2O粉末按物质的量之比为1∶1混合，室温下搅拌1小时，然后置于超声波清洗器中以50W的功率超声处理1小时，得到流变相物质；
3)将步骤2)得到的流变相物质移入聚四氟乙烯衬底的不锈钢反应釜中，在180℃温度下恒温24小时，然后自然冷却，得到水热产物；
4)将步骤3)得到的水热产物过滤，用去离子水反复洗涤；
5)将步骤4)过滤洗涤的产物在80℃干燥24小时得到β-AgVO3纳米线。
6)用电子束刻蚀和真空蒸镀将金电极沉积到表面有一层100nm厚的SiO2的Si基片上；
7)将β-AgVO3纳米线置于乙醇中超声分散后滴在表面有一层100nm厚的SiO2的Si基片上，选取分散较好的单根β-AgVO3纳米线定位在金电极上；
8)采用聚焦离子束技术在两端电极接触点沉积一层500nm厚的金属Pt，即制得单根β-AgVO3纳米线气敏器件。
实施例2：
单根β-AgVO3纳米线硫化氢气敏传感器的制备：
1)将V2O5粉末在800℃加热30分钟，使其融化后后倒入冷水中搅拌均匀，加热至沸并不停搅拌，冷却后抽滤三次，将滤液静置一天得到V2O5溶胶，标定其浓度，浓度为0.0352mol/L V2O5溶胶，备用；
2)将步骤1)得到的0.0352mol/L V2O5溶胶50mL与0.4079g Ag2O粉末按物质的量之比为1∶1混合，室温下搅拌1小时，然后置于超声波清洗器中以50W的功率超声处理1小时，得到流变相物质；
3)将步骤2)得到的流变相物质移入聚四氟乙烯衬底的不锈钢反应釜中，在180℃温度下恒温24小时，然后自然冷却，得到水热产物；
4)将步骤3)得到的水热产物过滤，用去离子水反复洗涤；
5)将步骤4)过滤洗涤的产物在80℃干燥24小时得到β-AgVO3纳米线。
6)用电子束刻蚀和真空蒸镀将金电极沉积到表面有一层50nm厚的SiO2的Si基片上；
7)将β-AgVO3纳米线置于乙醇中超声分散后滴在表面有一层50nm厚的SiO2的Si基片上，选取分散较好的单根β-AgVO3纳米线定位在金电极上；
8)采用聚焦离子束技术在两端电极接触点沉积一层300nm厚的金属Pt，即制得单根β-AgVO3纳米线气敏器件。
实施例3：
单根β-AgVO3纳米线硫化氢气敏传感器的制备：
1)将V2O5粉末在800℃加热30分钟，使其融化后后倒入冷水中搅拌均匀，加热至沸并不停搅拌，冷却后抽滤三次，将滤液静置一天得到V2O5溶胶，标定其浓度，浓度为0.0429mol/L V2O5溶胶，备用；
2)将步骤1)得到的0.0429mol/L V2O5溶胶50mL与0.4970g Ag2O粉末按物质的量之比为1∶1混合，室温下搅拌1小时，然后置于超声波清洗器中以50W的功率超声处理1小时，得到流变相物质；
3)将步骤2)得到的流变相物质移入聚四氟乙烯衬底的不锈钢反应釜中，在180℃温度下恒温24小时，然后自然冷却，得到水热产物；
4)将步骤3)得到的水热产物过滤，用去离子水反复洗涤；
5)将步骤4)过滤洗涤的产物在80℃干燥24小时得到β-AgVO3纳米线。
6)用电子束刻蚀和真空蒸镀将金电极沉积到表面有一层80nm厚的SiO2的Si基片上；
7)将β-AgVO3纳米线置于乙醇中超声分散后滴在表面有一层80nm厚的SiO2的Si基片上，选取分散较好的单根β-AgVO3纳米线定位在金电极上；
8)采用聚焦离子束技术在两端电极接触点沉积一层600nm厚的金属Pt，即制得单根β-AgVO3纳米线气敏器件。

Claims (3)

1.一种硫化氢气敏材料，其特征在于它为β-AgVO3，具有纳米线的一维结构，直径为100～700nm、长达15～40微米。
2.权利要求1所述的硫化氢气敏材料的制备方法，其特征在于，包括有以下步骤：
1)将V2O5粉末在800℃加热30分钟，使其融化后倒入冷水中搅拌均匀，加热至沸并不停搅拌，冷却后抽滤三次，将滤液静置一天得到V2O5溶胶，标定其浓度，浓度范围为0.0215～0.0429mol/L，备用；
2)将步骤1)得到的V2O5溶胶与Ag2O粉末按物质的量之比为1∶1混合，室温下搅拌0.5～1小时，然后置于超声波清洗器中以50 W的功率超声处理0.5～1小时，得到流变相物质；
3)将步骤2)得到的流变相物质移入聚四氟乙烯衬底的不锈钢反应釜中，在180℃温度下恒温24小时，然后自然冷却，得到水热产物；
4)将步骤3)得到的水热产物过滤，用去离子水洗涤3次以上；
5)将步骤4)过滤洗涤的产物在80℃干燥12～24小时得到硫化氢气敏材料β-AgVO3纳米线。
3.用权利要求1所述的硫化氢气敏材料制作硫化氢气敏传感器的方法，其特征在于，基于单根β-AgVO3纳米线的硫化氢气敏传感器的制作包括如下步骤：
1)用电子束刻蚀和真空蒸镀将金电极沉积到表面有一层30～100nm厚的SiO2的Si基片上；
2)将β-AgVO3纳米线置于乙醇中超声分散后滴在表面有一层30～100nm厚的SiO2的Si基片上，选取分散较好的单根β-AgVO3纳米线定位在金电极上；
3)采用聚焦离子束技术在两端电极接触点沉积一层300～600nm厚的金属Pt，即制得单根β-AgVO3纳米线的硫化氢气敏传感器件。
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