CN102953059B - 氧化锌掺杂二氧化钛基的丙酮气敏传感器制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氧化锌掺杂二氧化钛基的丙酮气敏传感器制备方法。本发明步骤如下：将钛酸丁酯逐滴滴入无水乙醇中，搅拌10-30分钟使其混合均匀，将ZnO纳米粉体溶于去离子水中，ZnO粉体的摩尔数为钛酸丁酯的1%-10%之间，然后加入醋酸溶调节混合液的pH在1-4之间；将溶胶溶液搅拌1-2小时后静置；将凝胶状态的胶体烘干并研磨成粉末，与甲基纤维素按照重量比：1-4:2之间的比例混合均匀，然后添加去离子水形成糊状并均匀涂于陶瓷管外壁；将上述涂有TiO2材料的陶瓷管保持温度600℃-900℃之间退火2-4小时即成。本发明工艺简单、重复性好。

Description

氧化锌掺杂二氧化钛基的丙酮气敏传感器制备方法
技术领域
本发明属于一种气体传感元件,特别涉及一种以氧化锌(ZnO)掺杂的二氧化钛(TiO2)为材料的厚膜型高选择性的丙酮蒸汽气敏传感元件的制备方法。
技术背景
传感器在现代工农业、信息技术、环境监测等领域具有重要的应用。金属氧化物气敏传感器作为传感器的一个重要分支，已经成为近年传感器研究和开发的重点,是未来气敏传感器的发展方向之一。这种传感器主要是利用金属氧化物半导体的表面电阻遇到被测气体发生变化的原理制成的电子器件，其选择性和灵敏度特性都很优良。
丙酮是一种广泛使用的有机试剂，易于在空气中氧化，并在氧化过程中大量消耗大气中的氧气，是一种有害的空气污染物。同时，丙酮还可以刺激人的中枢神经系统，出现乏力、头痛、呕吐，甚至昏迷的中毒症状，是一种有毒气体。目前，国内的气敏传感器主要是广谱的，采用的制备方式多为溅射法,工艺复杂，成本高，缺少对丙酮敏感的高选择性的气敏传感器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术中存在的不足，提供了一种工艺简单、重复性好的氧化锌掺杂二氧化钛基的丙酮气敏传感器制备方法。
本发明氧化锌掺杂二氧化钛基的丙酮气敏传感器制备方法，步骤如下：
(1)以钛酸丁酯为前驱体，将钛酸丁酯逐滴滴入无水乙醇中，搅拌10-30分钟使其混合均匀，钛酸丁酯与无水乙醇的摩尔比在1:2-8之间；
(2)将ZnO纳米粉体溶于去离子水中，ZnO粉体的摩尔数为钛酸丁酯的1％-10％之间，然后加入醋酸溶液调节混合液的pH在1-4之间；然后将此混合溶液逐滴滴入钛酸丁酯前驱体溶液中，并不断搅拌，生成溶胶溶液；
(3)将溶胶溶液搅拌0.5-2小时，使得溶质充分反应后，静置于通风橱内陈化2-5小时，使胶体向凝胶状态转化；
(4)将凝胶状态的胶体烘干并研磨成粉末，与甲基纤维素按照重量比：1～4:2之间的比例混合均匀，然后添加去离子水形成糊状并均匀涂于陶瓷管外壁；
(5)将上述涂有TiO2材料的陶瓷管保持温度500℃-800℃之间退火2-4小时，在陶瓷管表面形成所需的TiO2厚膜，即成氧化锌掺杂二氧化钛基的丙酮气敏传感器。
本发明与现有技术相比有如下优点：
1、用本发明所述的溶胶-凝胶法制备的TiO2厚膜涂在市售的陶瓷或者石英管上，制作工艺简单，成膜质量好，重复性强，可用于批量生产。
2、采用溶胶-凝胶法制备薄膜时，选择本发明中的工艺参数，可使气敏元件对丙酮具有很高的选择性，可以抵抗其它有机蒸汽的干扰，且响应-恢复时间短。
本发明主要用途：在混合的有机蒸汽中，检测出丙酮蒸汽的存在。
附图说明
图1所示为测试电路：
图2所示为气敏元件测试典型结果图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。
利用溶胶-凝胶法,选择合适的工艺参数(如陈化时间，反应物配比，退火时间等)在市售的陶瓷管或石英管外表面上制备TiO2薄膜。陶瓷管内置有电炉丝，用以加热陶瓷管。将电炉丝和TiO2膜上的铂金丝引出电极分别与引出回路和测试电路相连接，利用TiO2薄膜的电阻随引入丙酮蒸汽而变化，便可测定丙酮蒸汽存在与否。元件表现出了只对丙酮蒸气敏感的高选择性和较短的响应-恢复时间的气敏特性。
气敏元件的气敏特性通常用灵敏度来表征。灵敏度的定义为元件在大气气氛中的电阻值Rs与元件在一定浓度的被测气体气氛中的电阻值Rg与之比：
s = Rs Rg
灵敏度的测试方法：通过给元件中的电阻丝供电的方法，使电阻丝升温发热，从而将热量间接传导于陶瓷管(或石英管)表面。将负载电阻R与元件电阻Rz相串联，其两端供给测试电压Vc。取R两端的电压为输出电压Vout。元件的电阻：在大气气氛下Rz＝Rs，在丙酮蒸气气氛下，Rz＝Rg。
本发明采用溶胶-凝胶法制备出了仅对丙酮蒸气有敏感特性的气敏元件,对于其他常见的有机蒸气(如甲醛，甲醇、乙醇等)不敏感,可在众多的混合有机蒸气中,检测出丙酮蒸气的存在与否，工艺简单，成本低廉，具有良好的响应-恢复时间和选择性。
实施例1.
溶胶-凝胶法制备TiO2厚膜：准备：对陶瓷管和搅拌器用酒精进行清洗并干燥；准备烧杯、量筒、玻璃棒若干，用去离子水清洗并烘干。
1.将4毫升钛酸丁酯逐滴滴入24毫升无水乙醇中，并将混合溶液搅拌10分钟，观察到溶液为微黄色澄清溶液；操作过程中务必保持容器的干燥，切忌前驱体与水发生接触从而发生反应，影响产品质量。
2.将45毫克氧化锌纳米粉体溶于去离子水中，并使用醋酸将溶液pH值调节为2，混合溶液共计3毫升。将此混合溶液逐滴滴入钛酸丁酯溶液中，并搅拌0.5小时，得到微黄色透明粘稠溶胶溶液。
3.将溶胶溶液置于通风橱内陈化3小时，得到白色凝胶。
4.将凝胶状态的胶体烘干并研磨成粉末，与甲基纤维素按照重量比1:1的比例，然后添加去离子水并均匀涂于陶瓷管外壁。
5.将涂有TiO2材料的陶瓷管在750℃下退火3小时，以在陶瓷管表面形成所需的TiO2厚膜；陶瓷管内置有电炉丝，用以加热陶瓷管。将电炉丝和TiO2膜上的铂金丝引出电极分别与引出回路和测试电路相连接，如图1所示(Rz为敏感元件电阻，R为负载电阻，R依据Rz大小进行选择。Vc为测试回路供给电压；Vout为输出的测试电压。Vh为加热回路的供给电压，依据需要的加热温度进行选择)，即成氧化锌掺杂二氧化钛基的丙酮气敏传感器。用HW－30A型气敏测试仪测定其气敏特性，测试结果如图2所示。
当本发明的气敏元件工作温度为250℃时，其气敏测试结果如下：本项发明的丙酮气敏元件仅对丙酮蒸汽敏感，其响应-恢复时间均为2秒。对甲醛等其他干扰性气体不敏感。
实施例2.
溶胶-凝胶法制备TiO2厚膜：准备：对陶瓷管和搅拌器用酒精进行清洗并干燥；准备烧杯、量筒、玻璃棒若干，用去离子水清洗并烘干。
1.将12毫升钛酸丁酯逐滴滴入96毫升无水乙醇中，并将混合溶液搅拌30分钟，观察到溶液为微黄色澄清溶液；操作过程中务必保持容器的干燥，切忌前驱体与水发生接触从而发生反应，影响产品质量。
2.将72.5毫克氧化锌纳米粉体溶于去离子水中，并使用醋酸将溶液pH值调节为3，混合溶液共计8毫升。将此混合溶液逐滴滴入钛酸丁酯溶液中，并搅拌1小时，得到微黄色透明粘稠溶胶溶液。
2.将溶胶溶液置于通风橱内陈化4小时，得到白色凝胶。
3.将凝胶状态的胶体烘干并研磨成粉末，与甲基纤维素按照1:2的比例，然后添加去离子水并均匀涂于陶瓷管外壁。
4.将涂有TiO2材料的陶瓷管在600℃下退火3小时，以在陶瓷管表面形成所需的TiO2厚膜；陶瓷管内置有电炉丝，用以加热陶瓷管。将电炉丝和TiO2膜上的铂金丝引出电极分别与引出回路和测试电路相连接，即成氧化锌掺杂二氧化钛基的丙酮气敏传感器。
5.用HW－30A型气敏测试仪测定其气敏特性，当本发明的气敏元件工作温度为250℃时，其气敏测试结果如下：本项发明的丙酮气敏元件仅对丙酮蒸汽敏感，其响应-恢复时间均为3秒。对甲醛等其他干扰性气体不敏感。
实施例3.
溶胶-凝胶法制备TiO2厚膜：准备：对陶瓷管和搅拌器用酒精进行清洗并干燥；准备烧杯、量筒、玻璃棒若干，用去离子水清洗并烘干。
1.将10毫升钛酸丁酯逐滴滴入84毫升无水乙醇中，并将混合溶液搅拌30分钟，观察到溶液为微黄色澄清溶液；操作过程中务必保持容器的干燥，切忌前驱体与水发生接触从而发生反应，影响产品质量。
2.将60毫克氧化锌纳米粉体溶于去离子水中，并使用醋酸将溶液pH值调节为4，混合溶液共计5毫升。将此混合溶液逐滴滴入钛酸丁酯溶液中，并搅拌1.5小时，得到微黄色透明粘稠溶胶溶液。
3.将溶胶溶液置于通风橱内陈化5小时，得到白色凝胶。
4.将凝胶状态的胶体烘干并研磨成粉末，与甲基纤维素按照1：4的比例，然后添加去离子水并均匀涂于陶瓷管外壁。
5.将涂有TiO2材料的陶瓷管在500℃下退火4小时，以在陶瓷管表面形成所需的TiO2厚膜；陶瓷管内置有电炉丝，用以加热陶瓷管。将电炉丝和TiO2膜上的铂金丝引出电极分别与引出回路和测试电路相连接，即成氧化锌掺杂二氧化钛基的丙酮气敏传感器。
用HW－30A型气敏测试仪测定其气敏特性。当本发明的气敏元件工作温度为200℃时，其气敏测试结果如下：本项发明的丙酮气敏元件仅对丙酮蒸汽敏感，其响应-恢复时间均为2.5秒。对甲醛等其他干扰性气体不敏感。

Claims (1)

1.一种氧化锌掺杂二氧化钛基的丙酮气敏传感器制备方法，步骤如下：
a.以钛酸丁酯为前驱体，将钛酸丁酯逐滴滴入无水乙醇中，搅拌10-30分钟使其混合均匀，钛酸丁酯与无水乙醇的摩尔比在1:2-8之间；
b.将ZnO纳米粉体溶于去离子水中，ZnO粉体的摩尔数为钛酸丁酯的1％-10％之间，然后加入醋酸溶液调节混合液的pH在1-4之间；然后将此混合溶液逐滴滴入钛酸丁酯前驱体溶液中，并不断搅拌，生成溶胶溶液；
c.将溶胶溶液搅拌0.5-2小时，使得溶质充分反应后，静置于通风橱内陈化2-5小时，使胶体向凝胶状态转化；
d.将凝胶状态的胶体烘干并研磨成粉末，与甲基纤维素按照重量比：1～4:2之间的比例混合均匀，然后添加去离子水形成糊状并均匀涂于陶瓷管外壁；
e.将上述陶瓷管保持温度500℃-800℃之间退火2-4小时，在陶瓷管表面形成所需的TiO2厚膜，即成氧化锌掺杂二氧化钛基的丙酮气敏传感器。
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