CN102453309A

CN102453309A - 一种室温检测no2有机/无机复合气敏材料的制备与应用

Info

Publication number: CN102453309A
Application number: CN2010105188447A
Authority: CN
Inventors: 王淑荣; 张守民; 郭先芝; 吴世华
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2012-05-16

Abstract

本发明涉及一种室温检测NO₂有机/无机复合气敏材料及其制备方法与应用。本发明的室温检测NO₂的有机/无机复合气敏材料，以所制备的纳米半导体金属氧化物WO₃粉体为无机成分，所制备的导电高分子聚合物聚噻吩(PTP)为有机成分。PTP/WO₃复合材料中PTP的质量百分含量为10％～40％。公开了复合气敏材料的制备方法及应用方法。本发明的有益效果在于：采用简单的机械共混法制备出PTP/WO₃有机/无机复合气敏材料，其有机和无机含量易控。制备的气敏材料具有较好的热稳定性。制备的气敏材料对NO₂具有优良的气敏性能：灵敏度高，操作温度低，选择性好。具有良好的工业应用前景。

Description

一种室温检测NO2有机/无机复合气敏材料的制备与应用

技术领域

本发明涉及一种室温检测NO₂有机/无机复合气敏材料及其制备方法与应用。

背景技术

在物质文明高速发展的同时，人们的生活水平也日益提高，与此同时将不可避免的带来对生态环境的破坏。随着工业的高速发展，NO₂气体的工业污染问题日益突出。NO₂是引起酸雨、光化学烟雾以及腐蚀等环境问题的工业污染物之一，同时NO₂是一种强毒性气体，对呼吸道有强烈的刺激作用，严重时造成肺损害甚至肺水肿，因此对NO₂的监测越来越受到关注。目前传统的NO₂检测方法(如：Saltzman法、化学发光法、色谱法等)虽然灵敏度高、检出限低，但装置复杂、价格昂贵且操作繁琐，不能实现NO₂的现场连续监测。因此研究体积小、成本低、能够准确、快捷地监测大气中NO₂的气体传感器具有重要的意义。

气体传感器是类重要的化学传感器，随着人们生活水平、环保意识的提高及医疗卫生、食品工业、能源技术、空间技术的迅速发展，其研究得到了迅猛的发展。气敏材料是气体传感器的核心。金属氧化物半导体气敏材料因具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、稳定性好等特性，而得到了广泛的研究；但其必须在高温下工作、对气体的选择性差，限制了其使用范围。有机导电聚合物作为气敏材料，能在室温下响应、易加工成膜、与各种基板相容性好，在气体传感器领域具有很大的应用潜力，但其灵敏度低且稳定性不是很好，从而也使它们的使用受到了限制。

有机高分子导电聚合物与纳米半导体金属氧化物结合形成的有机/无机复合材料，不仅由于无机物的引入而改善了高分子导电聚合物原有性能，更重要的是由于纳米效应以及高分子导电聚合物与无机物之间的协同作用，使得复合材料具有优于单一组分的性能。

本发明提供了一种具有高灵敏度、高选择性和稳定性室温检测NO₂气体的有机/无机复合气敏材料的制备及应用方法。

发明内容

本发明的室温检测NO₂气体的气敏材料，以所制备的纳米半导体金属氧化物WO₃粉体为无机成分，所制备的导电高分子聚合物聚噻吩(PTP)为有机成分。PTP/WO₃复合材料中PTP的质量百分含量为10％～40％。

所述的气敏材料的制备方法，包括以下步骤：

在常温磁力搅拌下，向0.5mol/l的钨酸钠溶液中逐滴加入3mol/l的HCl溶液，直到没有沉淀产生。将溶液在室温下放置24h，然后加入15ml 0.15mol/l的CTAB溶液，有大量白色沉淀生成，超声40分钟。过滤，离心洗涤直到检测不出Cl^-、Br^-和其它杂质离子，将沉淀放入80℃的烘箱中干燥。将干燥后的产物在马弗炉中于600℃下焙烧2h，得到粒径为29nm纳米的WO₃粉体。

在圆底烧瓶中加入50ml乙二醇甲醚，搅拌下加入一定量氧化剂无水FeCl₃，再用注射器注入噻吩(TP)单体，氧化剂与TP的物质的量之比为3∶1，在室温下反应3h，抽滤后得到黑色固体，将产物用甲醇浸泡24h，再用无水甲醇洗几次，室温下真空干燥24h，得到聚噻吩(PTP)。

称取不同比例上述所制备的纳米WO₃和PTP，分别放进玛瑙研钵中充分研磨，得到不同PTP含量的PTP/WO₃复合材料。

所述的气敏材料的应用方法是：

将气敏材料涂敷在有铂丝引线的氧化铝陶瓷管上，加以镍-铬热阻丝，并将其焊接在六脚管座的相应位置上，最后将防爆网固定在底座上成型，制得旁热式气敏元件。采用电压测试法进行气敏性能测试：回路电压为5V；负载电阻为4.7MΩ；测试温度为室温；环境湿度为60％；测试气体种类包括甲醇、乙醇、丙酮、CO、H₂、H₂S和NO₂；预热时间为72h。

本发明的有益效果在于：

1.采用简单的机械共混法制备出PTP/WO₃有机/无机复合气敏材料，其有机和无机含量易控。

2.制备的气敏材料具有较好的热稳定性。

3.制备的气敏材料对NO₂具有优良的气敏性能：灵敏度高，操作温度低，选择性好。具有良好的工业应用前景。

附图说明

图1是实施例中三种PTP/WO₃气敏材料对不同浓度NO₂气体的灵敏度曲线图

图2是实施例中PTP(20％)/WO₃气敏材料对不同气体的灵敏度曲线图

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步的说明

实施例1：

称取一定量的钨酸钠溶于蒸馏水中，搅拌均匀，配成0.5mol/l钨酸钠溶液。在不断搅拌的条件下，向钨酸钠溶液中慢慢滴加3mol/lHCl溶液直到没有沉淀产生。将溶液在室温下放置24h，然后加入15ml 0.15mol/l的CTAB溶液，有大量白色沉淀生成，超声40分钟。然后将沉淀离心分离，多次水洗以除去大量的Cl^-、Br^-以及其它的剩余物，将沉淀放入80℃的烘箱中干燥。将干燥后的产物在马弗炉中于600℃下灼烧2h，得到纳米WO₃粉体。在圆底烧瓶中加入50ml乙二醇甲醚，搅拌下加入一定量氧化剂无水FeCl₃，再用注射器注入噻吩(TP)单体，氧化剂与TP的物质的量之比为3∶1，在室温下反应3h，抽滤后得到黑色固体，将产物用甲醇浸泡24h，再用无水甲醇清洗，室温下真空干燥24h，得到PTP。称取10∶90比例上述所制备的纳米WO₃粉体和PTP，放进玛瑙研钵中充分混磨，得到PTP(10％)/WO₃复合材料。

实施例2：

将实施例1所制PTP(10％)/WO₃复合材料作为气敏材料，在下列气敏测试条件下：回路电压为5V，负载电阻为4.7MΩ，测试温度为室温，环境湿度为60％，预热时间为72h，测试对不同浓度NO₂的气敏行为，灵敏度如图1所示。

实施例3：

将实施例1中WO₃粉体和PTP的比例变为20∶80，其它均同实施例1，得到PTP(20％)/WO₃复合材料。测试条件同实施例2，测试对不同浓度NO₂的气敏行为，灵敏度如图1所示，同时测试对1000ppm甲醇、乙醇、丙酮、CO、H₂和H₂S的气敏行为，灵敏度如图2所示。

实施例4：

将实施例1中WO₃粉体和PTP的比例变为40∶60，其它均同实施例1，得到PTP(40％)/WO₃复合材料。测试条件同实施例2，测试对不同浓度NO₂的气敏行为，灵敏度如图1所示。

Claims

1.一种室温检测NO₂有机/无机复合气敏材料，其特征在于所述的气敏材料以WO₃为无机成分，PTP为有机成分。

2.按照权利要求1所述的室温检测NO₂有机/无机复合气敏材料，其特征在于PTP/WO₃复合气敏材料中PTP的质量百分含量为10％～40％。

3.按照权利要求1、2所述的室温检测NO₂有机/无机复合气敏材料，其特征在于，向0.5mol/l的钨酸钠溶液中加入3mol/l的HCl溶液，室温下放置24h，然后加入0.15mol/l的CTAB溶液，超声40分钟，80℃干燥，600℃焙烧2h，得到粒径为29nm的WO₃粉体。

4.按照权利要求1、2所述的室温检测NO₂有机/无机复合气敏材料，其特征在于，向乙二醇甲醚中加入无水FeCl₃，注入TP单体，在室温下反应3h，将产物用甲醇浸泡24h，室温下真空于燥24h，得到PTP。

5.按照权利要求1、2所述的室温检测NO₂有机/无机复合气敏材料，其特征在于，称取不同比例上述所制备的纳米WO₃和PTP，分别放进玛瑙研钵中充分研磨，得到不同PTP含量的PTP/WO₃复合气敏材料。

6.按照权利要求1～5所述的室温检测NO₂有机/无机复合气敏材料，其特征在于，将气敏材料涂敷在有铂丝引线的氧化铝陶瓷管上，加以镍-铬热阻丝，并将其焊接在六脚管座的相应位置上，最后将防爆网固定在底座上成型，制得旁热式气敏元件。

7.按照权利要求1～5所述的空温检测NO₂有机/无机复合气敏材料，其特征在于，采用电压测试法进行气敏性能测试：回路电压为5V；负载电阻为4.7MΩ；测试温度为室温；环境湿度为60％；测试气体种类包括甲醇、乙醇、丙酮、CO、H₂、H₂S和NO₂；预热时间为72h。