CN102621198A - 一种多元金属氧化物气敏传感器气敏元件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多元金属氧化物气敏传感器气敏元件及其制备方法。本发明主要是采用电纺丝静电场组装方法在梳齿电极上沉积纳米丝状壳核结构材料，采用低温水热负载方式在梳齿电极上的壳核结构外层包覆气敏薄膜源材料，再进行热处理合成气敏材料。本发明制得的元件上有定向排列近单层金属氧化物复合纳米丝/纳米管气敏材料，可直接装配成气敏传感器，使用方便且具有良好的气敏灵敏度和选择性。制备方法简单，具备显著的经济和社会效益。

Description

一种多元金属氧化物气敏传感器气敏元件及其制备方法
技术领域
本发明属于气敏传感器领域，具体涉及一种多元金属氧化物气敏传感器气敏元件及其制备方法。
背景技术
随着经济的发展、工业和社会的进步，环境遭到破坏，空气污染日趋严重，一些有毒有害、易燃易爆气体，如甲醛、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等都已无处不在，严重威胁着人们的生命财产安全。因此，迫切需要多种体积小、便捷灵活、便宜、灵敏度高的气体监测和测试装置实现对不同环境和条件下的气体实行监测和控制。金属氧化物半导体气体传感器由于具有检测气体种类多，浓度范围宽，体积小，成本低、测量精度高，工作电路简单，可便于现场检测的优点，在易燃、易暴、有毒或有害气体检测，在环境监测、安全生产、食品卫生、军事科技等领域中得到了广泛的应用。因此，它们在人们的工作和生活中扮演着越来越重要的角色。此外，随着科学研究和生产技术的不断进步，开始研究并应用的具有气敏效应的功能材料越来越多，金属氧化物气敏传感器纳米结构材料已经成为该领域的研究热点。
美国乔治亚理工学院Zhong L. Wang教授课题组和美国德克萨斯州立大学的Li Shi课题组分别制得单根纳米线气敏传感器，并获得较好的气敏效果。但他们只是组装出了SnO2、BixTe1-x等简单组分气敏传感器，并且单根纳米线气敏传感器本身存在可靠性问题，所以他们研制的气敏传感材料难以实用化。近年来，采用静电/磁场组装定向纳米丝材料获得较快发展，现已成为新型功能纳米材料的研究热点。但目前研究也只是组装出了简单组分一维纳米材料，对于多元金属氧化物复合定向纳米材料研究很少涉及。韩国Man Choi 教授课题组先采用溶胶－凝胶方法制备出SnO2–ZnO复合金属纳米氧化物，然后采用浸渍镀膜掺杂方法制备出CuO掺杂SnO2–ZnO复合氧化物薄膜，并系统研究了各氧化物组分对复合纳米材料气敏性能影响，这也在一定程度上揭示了每种金属氧化物在其选择性和敏感性方面存在局限性。另外，国内在气敏传感器研制及其机理研究方面也取得了一些研究成果，然而，同样存在构成气体敏感膜层材料成份相对简单的根本问题，检测气体种类受限，传感器灵敏度、选择性和稳定性无法兼顾。
发明内容
本发明针对目前金属氧化物气敏传感器研究的空缺和不足，提出一种多元金属氧化物气敏传感器气敏元件及其制备方法。本发明的目的在于在避免以前气敏传感器材料制备过程复杂的基础上，通过简单的制备多元金属氧化物气敏传感器气敏元件，克服金属氧化物气敏传感器在选择性、敏感性和稳定性等方面的局限性。
为实现上述目的，本发明一种多元金属氧化物气敏传感器气敏元件的制备方法，采用电纺丝静电场组装方法在梳齿电极上沉积纳米丝状壳核结构材料，采用低温水热负载方式在梳齿电极上的壳核结构外层包覆气敏薄膜源材料，对梳齿电极及其上材料进行热处理合成气敏材料终值获得一种多元金属氧化物气敏传感器气敏元件。
电纺丝静电场组装方法在梳齿电极上沉积纳米丝状壳核结构材料的过程采用双针头同轴电纺丝法，梳齿电极收集的材料为近单层排列的纳米丝状阵列，且电纺丝静电组装过程中梳齿电极端采用加热辅助合成材料。静电场组装方法中采用重油作为核心层原料，含有多元金属离子的有机聚合物作为电纺丝外壳层原料。
低温水热负载方式在梳齿电极上的壳核结构外层包覆气敏薄膜源材料过程中水热负载以金属盐溶液或稳定溶胶作为原料，原料中加入沉淀剂。热处理过程中控制升温速率为1-5℃/分钟，后保温温度为500-600℃。
利用该发明制备得到的气敏传感器元件上的气敏材料为多元金属氧化物纳米丝/纳米管结构材料，这些纳米材料的直径为50-200纳米。
通过该方法制备得到的梳齿电极及材料组成的元件可直接用于装配成气敏传感器。
本发明的显著优点在于：气敏元件上的材料为纳米丝/纳米管材料，且这些纳米材料近似呈定向单层排列。这样的结构特征使气敏传感器给被检测气体充分接触，有效提高气敏传感器的灵敏性，并且稳定性较好。其次，由于不同金属氧化物对特定气体的检查灵敏性不同，多元金属氧化物材料相结合的方法能有效提高气敏传感器的选择性和灵敏性。另外，该方法制备气敏传感器元件工艺简单、易于操作、经济环保。
附图说明
图1是一种多元金属氧化物气敏传感器气敏元件的结构图：其中1为梳齿电极，2为梳齿电极上沉积并合成的纳米管/线气敏材料。
图2是多元金属氧化物气敏传感器气敏元件表面气敏材料的扫描电子显微镜图像。
具体实施方式
下面以氧化锡、氧化锌、氧化铜三元氧化物气敏传感器纳米材料的制备为例更全面描述本发明。然而，本发明可以以不同形式实现，且不应解释为仅限于此处所阐述的实施例。更确切地说，提供这些实施例是为了彻底而完全地公开并且向本领域技术人员全面传达本发明的范围。
氧化锡、氧化锌、氧化铜三元氧化物气敏传感器纳米材料的制备：
（1）采用电纺丝静电场组装方法在梳齿电极上沉积纳米丝状壳核结构材料过程
电纺丝核心层原料：重油；
电纺丝外壳层原料：0.7gPAN、6.3gDMF、0.25g氯化锡、0.25g氯化锌配置而成的溶胶。
将核心层原料和外壳层原料注入注射器中，装在微量注射泵上，在注射器出口和梳齿电极1间加上13kV的直流电压。另外梳齿电极间加1kV的直流电压，采用加热装置控制梳齿电极的温度为180℃。注射塑料为0.5 ml/h。
（2）低温水热负载方式在梳齿电极上的壳核结构外层包覆气敏薄膜源材料过程
原料：1.5M的CuSO4溶液中滴加几滴氨水，充分搅拌混合形成稳定溶胶
将（1）过程中得到的材料连同梳齿电极一起放入水热反应釜中，加入原料溶液，放入痰气保护加热炉中。采用5℃/min 的升温速度升温至150摄氏度，保温2小时。
（3）对梳齿电极及其上材料进行热处理合成气敏材料过程
将（2）过程中处理过得材料连同梳齿电极一起放入高温加热炉中，在空气中缓慢升温至500℃，升温速率为1℃/min。最后待材料温度自然降低至室温，将薄膜状的材料和梳齿电极取出，再经过压焊，加压老化等过程制成氧化锡、氧化锌、氧化铜三元氧化物气敏传感器。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种多元金属氧化物气敏传感器气敏元件的制备方法，其特征在于：所述的制备方法包括以下步骤：
采用电纺丝静电场组装方法在梳齿电极上沉积纳米丝状壳核结构材料；
采用低温水热负载方式在梳齿电极上的壳核结构外层包覆气敏薄膜源材料；
对步骤（2）的梳齿电极进行热处理合成气敏材料。
2.根据权利要求1所述的多元金属氧化物气敏传感器气敏元件的制备方法，其特征在于：步骤（1）中采用双针头同轴电纺丝法；梳齿电极收集的材料为近单层排列的纳米丝状阵列；电纺丝静电组装过程中梳齿电极端采用加热辅助合成材料。
3.根据权利要求1或2所述的多元金属氧化物气敏传感器气敏元件的制备方法，其特征在于：步骤（1）中纳米丝状壳核结构材料采用重油作为核心层原料，采用PAN、DMF、氯化锡和氯化锌混合液作为电纺丝外壳层原料。
4.根据权利要求1所述的多元金属氧化物气敏传感器气敏元件的制备方法，其特征在于：步骤（2）中水热负载以氯化铜或硫酸铜为溶质的水溶液或稳定溶胶作为原料，原料中加入氨水作为沉淀剂。
5.根据权利要求1所述的多元金属氧化物气敏传感器气敏元件的制备方法，其特征在于：步骤（3）热处理升温速率为1-5℃/分钟，保温温度为500-600℃。
6.根据权利要求1所述的多元金属氧化物气敏传感器气敏元件的制备方法，其特征在于：所述的气敏传感器气敏元件以多元金属氧化物纳米丝/纳米管结构材料为气敏材料。
7.根据权利要求6所述的多元金属氧化物气敏传感器气敏元件的制备方法，其特征在于：所述的多元金属氧化物纳米丝/纳米管结构材料直径为50-200纳米。
8.根据权利要求1所述的多元金属氧化物气敏传感器气敏元件的制备方法，其特征在于：通过该方法制备得到的梳齿电极及材料组成的元件直接装配成气敏传感器。
9.一种如权利要求1所述的制备方法制得的多元金属氧化物气敏传感器气敏元件。
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