CN103995026B - 基于酒精分子印迹机制设计高性能酒精气体传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于酒精分子印迹机制设计的酒精气体传感器,它由陶瓷管和均匀、致密分布在陶瓷管表面的具有网络结构的SnO2膜层组成,所述SnO2膜层中纳米SnO2的粒径为9±2纳米,BJH孔径分布集中,孔径的平均尺寸为4.3±0.1nm。制备方法为:将二水氯化亚锡(SnCl2·2H2O)溶于水和酒精的混合溶液,经水热反应,煅烧制备得到白色的具有网络结构的中等孔径SnO2纳米材料;加酒精混合成浆糊状,然后在陶瓷管上均匀涂膜,干燥,制得传感器。本发明所述酒精气体传感器探测酒精气体浓度为4ppm~100ppm范围,响应时间为6±2秒,恢复时间为22±3秒。

Description

基于酒精分子印迹机制设计高性能酒精气体传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及设计酒精气体传感器,具体为采用酒精分子印迹机制设计的具有超高灵敏度和快速响应、恢复速度的酒精气体传感器。
背景技术
传统设计酒精气体传感器的方法,通常是采用溶胶-凝胶合成法、水热合成法、模板法等获取纳米材料,然后简单地与粘合剂在水溶液中混合制膜,再涂抹在陶瓷管得到传感器而成;且传统的气体传感器设计着重强调纳米结构材料的合成,而忽略器件制作过程中纳米材料的有效制膜。而纳米材料的有效制膜同样会对纳米材料的结构产生影响,从而对传感器器件的传感性能产生影响。
发明内容
本发明的目的是基于酒精分子的印迹特性,提供一种灵敏度高,响应速度快、恢复速度快的高性能酒精气体传感器及其制备方法。其所设计的传感器用于酒精气体的快速高效检测。
为实现本发明目的采用的技术方案是:
一种基于酒精分子印迹机制设计的酒精气体传感器,由陶瓷管和均匀、致密分布在陶瓷管表面的具有网络结构的SnO2膜层组成,所述SnO2膜层中纳米SnO2的粒径为9±2纳米,BJH孔径分布集中,孔径的平均尺寸为4.3±0.1nm。
按上述方案,所述酒精气体传感器探测酒精气体浓度为4ppm~100ppm范围,响应时间为6±2秒,恢复时间为22±3秒。
上述基于酒精分子印迹机制设计的酒精气体传感器的制备方法包括:
(1)将二水氯化亚锡(SnCl2·2H2O)加入水和酒精的混合溶液中,搅拌,在所得的白色悬浮物中加入盐酸,充分搅拌直到溶液变清澈;然后把所得到的溶液放在水热反应釜中密封加热到100-140℃,保持20-24小时,自然冷却,离心处理收集黄色的沉淀物;把该沉淀物水洗,烘干,在空气中300-350℃煅烧2-3小时,最后得到白色的具有网络结构的中等孔径SnO2纳米材料;
(2)将步骤(1)制备得到的SnO2纳米材料加酒精混合成浆糊状,然后在陶瓷管上均匀涂膜,干燥,制得传感器。
按上述方案,所述步骤(1)中水和酒精的体积比为3-2:1。
按上述方案,步骤(1)所述的具有网络结构的中等孔径SnO2纳米材料,SnO2粒径均匀,粒径为9±2纳米,BJH孔径分布集中,孔径的平均尺寸为5.1±0.1nm。
按上述方案,步骤(1)所述的盐酸为38wt%的盐酸。
按上述方案,所述步骤(2)中SnO2纳米材料和酒精的重量比为1.5-3:1。
按上述方案,所述步骤(2)中的涂膜厚度为90-110μm。
本发明在制作酒精气体传感器时,充分考虑到酒精分子的印迹特性,通过在材料获取阶段和器件制作过程中,引入酒精参与化学物理反应,基于酒精分子或酒精/水团簇的挥发特性,可获得适合酒精分子吸附和脱附的最佳结构,从而可很大程度上提高酒精气体传感器的传感性能。本发明基于酒精分子的印迹机制,设计超高性能的酒精气体传感器的方法在国内外该领域属于首次实践。
该酒精气体传感器的工作原理是:空气中的氧气吸附在传感器表面上形成氧吸附质(O2-、O2 -或O-),形成电子耗尽层,导致传感器电导率降低,传感器的电阻升高;当带有氧吸附质的传感器与酒精接触后,由于所设计传感器良好的吸附特性,酒精分子能够充分与氧吸附质反应,使耗尽层的电子重新被还原,再次注入到SnO2,从而提高传感器的电导率,传感器的电阻明显降低。
本发明的关键是,在材料合成的阶段,引入酒精与反应物产生物理化学反应,可保证纳米颗粒的形成,获得良好的氧化锡网络纳米结构,实现氧化锡纳米材料合成阶段的结构的有效控制,进而为高性能酒精传感器的获得提供前提;在此基础之上,器件设计过程中,所获取的材料与酒精混合后制膜,可进一步稳定和优化纳米材料的网络结构,同时酒精的引入可使传感器具有适合酒精吸附和脱附的最佳结构,而综合达到保障传感器高性能传感目的。
本发明与现有相关技术相比有如下优点和积极效果:
1、基于酒精分子的印迹机制设计的酒精气体传感器,具有适合酒精吸附和脱附的最佳结构,保障了传感器优异的工作性能。
2、由于传感器材料获取过程中不需要金属掺杂等处理,其成本大大降低;在器件制备过程中由于不需要额外采用粘结剂,可确保探测器材料的均匀空隙结构和电导性,保证了传感器探测的稳定性和有效性。器件灵敏度高,在酒精浓度为10ppm时,灵敏度可达到7.8;当酒精浓度达到100ppm时,灵敏度可达到19.4;对较低酒精浓度仍然很敏感,在酒精浓度为4ppm这样较低的情况下,灵敏度仍大于3;传感器响应和恢复时间短,酒精气体浓度为4ppm~100ppm范围的响应时间为6±2秒,恢复时间为22±3秒。
3、该传感器的制备方法简单、易控、能耗低、低成本、易量产。
附图说明
图1纳米材料E的BJH孔径分布
图2SEE传感器表面SnO2薄膜的BJH孔径分布
图3W与E样品扫描电子显微镜照片
图4样品W、E及所制膜WW、WE、EW和EE的X射线衍射图
图5SEE、SWE、SEW与SWW联测灵敏度比较,图5中自上而下的四个曲线分别为SEE、SWE、SEW与SWW四种传感器
图6SEE、SWE、SEW与SWW酒精气体浓度变化时灵敏度比较
图7酒精气体浓度相对较低时SEE电阻随酒精气体浓度变化
图8酒精气体浓度为10ppm时SEE的电阻变化可重复性
图9酒精气体浓度为10ppm时SWE的电阻变化可重复性
具体实施方式
实施例1
材料合成:采用水热法通过加入和不加入酒精分别获取中等孔径SnO2纳米材料E与W。
E:将1.5克二水氯化亚锡(SnCl2·2H2O)溶解于50毫升的水溶液,加入20毫升酒精混合,然后进行磁力搅拌1小时。在所得到的白色悬浮物中加入0.5毫升盐酸(38%水溶液),室温下充分搅拌1小时,直到溶液变清澈;把所得到的溶液放在聚四氟乙烯内胆的高压釜中密封加热到120℃,保持24小时;水热法充分反应后自然冷却,通过离心处理收集黄色的沉淀物;把该沉淀物采用去离子水清洗3遍后,放在空气中以60℃的温度烘干;把所得到的初级粒子,以350℃的温度放在空气中煅烧2小时,最后得到白色的中等孔径SnO2纳米材料。
W:将1.5克二水氯化亚锡(SnCl2·2H2O)溶解于70毫升水溶液,然后进行磁力搅拌1小时。在所得到的白色悬浮物中加入0.5毫升盐酸(38%水溶液),室温下充分搅拌1小时,直到溶液变清澈;然后在聚四氟乙烯内胆的高压釜中密封加热到120℃,保持24小时;水热法反应后自然冷却,通过离心处理收集黄色的沉淀物;把该沉淀物清洗3遍,放在空气中以60℃温度烘干;把所得到的初级粒子以350℃温度放在空气中煅烧2小时,最后得到白色的SnO2中等孔径纳米材料。
纳米材料E的BJH孔径分布图见图1,SEM图见图3(b),纳米材料W的SEM图(场发射扫描电子显微镜,日本电子公司生产,型号:JEOL6700F)见图3(a),从图1可看出:纳米材料E的平均孔径为5.1±0.1纳米,从图3可以看出E的颗粒大小更为均匀精细,为9±2纳米。器件制作:
(a)取0.2毫升酒精,与0.3克材料E混合,制备成浆糊状,均匀涂膜在陶瓷管上,厚度100μm,制作传感器SEE(即所申请专利保护的传感器)。
(b)取0.2毫升去离子水,与0.3克材料E混合,制备成浆糊状,均匀涂膜在陶瓷管上,厚度100μm,制作传感器SEW
(c)取0.2毫升酒精,与0.3克材料W混合,制备成浆糊状,均匀涂膜在陶瓷管上,厚度100μm,制作传感器SWE
(d)取0.2毫升去离子水,与0.3克材料W混合,制备成浆糊状,均匀涂膜在陶瓷管上,厚度100μm,制作传感器SWW
纳米材料制膜后得到的传感器SEE薄膜的BJH孔径分布见图2,图2可看出;SnO2薄膜的平均孔径为4.3±0.1纳米。
纳米材料E、W与膜EE、EW、WE和WW的X射线衍射(XRD)见图4,图4显示晶体结构一致。X射线衍射仪:荷兰Panalytical公司,型号:Empyrean锐影。
性能测试:定义Ra为传感器在空气中的电阻,Rg为在酒精气体中的电阻;传感器的灵敏度定义为Ra/Rg,响应时间为达到信号改变90%所需时间,恢复时间为达到信号改变90%所需时间。
联测:将上述SEE、SWE、SEW与SWW四种传感器交替放在空气和浓度不同的酒精气体中,采用联测方式,测试传感器的灵敏度(Ra/Rg)、响应和恢复时间。其在酒精气体浓度分别为10ppm、20ppm、30ppm、40ppm和50ppm时传感器的响应情况见图5。图5可看出:SEE的灵敏度最大,其在50ppm时超过18。响应时间与恢复时间比较见表1。从表1看出SEE的响应时间为6±2秒,恢复时间为22±3秒,响应和恢复时间比其它三种传感器短。
表1SEE、SWE、SEW与SWW四种传感器的响应时间和恢复时间
单测:采用单测方式,把SEE、SWE、SEW与SWW四种传感器分别放在空气与浓度分别为10ppm、30ppm、50ppm和100ppm的酒精气体中,测定电阻,并计算灵敏度。SEE、SWE、SEW与SWW四种传感器在10ppm、30ppm、50ppm和100ppm的酒精气体中的灵敏度见图6,图6表明传感器SEE的灵敏度最高,并随着酒精浓度的增加,几乎呈线性增长,在酒精浓度为100ppm时灵敏度超过19.4;SWE的灵敏度和SEE的灵敏度近似但相比而言SWE性能差。SEW与SWW的灵敏度远低于SEE与SWE的灵敏度,并且随着酒精气体浓度的增加,SEW与SWW的灵敏度变化不大,几乎趋于饱和。该结果证明器件制作阶段,酒精分子的印迹作用对传感器性能的影响很大,扮演者非常重要的角色。
相对较低酒精气体浓度的SEE联测:把SEE传感器交替放在空气与浓度分别为4ppm、6ppm、8ppm、12ppm和16ppm的酒精气体中的电阻变化情况见图7。从图7可以看出,当酒精浓度为4ppm时,传感器的灵敏度仍然大于3.6;相比论文《Carbon-assistedsynthesisofmesoporousSnO2nanomaterialashighlysensitiveethanolgassensor》提到的MP2的灵敏度1.8高出2倍。并且SEE在较低酒精浓度情况下,响应和恢复速度高于该论文涉及到的3种传感器;图7显示,随着酒精浓度的增加,传感器SEE在空气中的恢复电阻产生了“基线漂移”。综上,良好的低酒精浓度下的高灵敏性和不太明显的“基线漂移”,充分说明SEE传感器针对酒精气体具有良好的吸附和脱附特性。
稳定性测试:把SEE和SWE传感器分别交替放在10ppm浓度的酒精气体和空气中超过800秒。酒精气体浓度为10ppm时SEE和SWE传感器的电阻变化可重复性分别见图8和图9。图8表明传感器优秀的可逆性显示了SEE良好的稳定性。图9显示SWE的稳定性也较好,但SEE的响应和恢复速度明显快于SWE
实施例2
将1.5克二水氯化亚锡(SnCl2·2H2O)溶解于40毫升的水溶液,加入20毫升酒精混合,然后进行磁力搅拌,在所得到的白色悬浮物中加入盐酸(38%水溶液),室温下充分搅拌,直到溶液变清澈;把所得到的溶液放在水热釜中密封加热到140℃,保持20小时;水热法充分反应后自然冷却,通过离心处理收集黄色的沉淀物;把该沉淀物水洗,烘干;把所得到的初级粒子,以300℃的温度放在空气中煅烧3小时,最后得到白色的中等孔径SnO2纳米材料。
取0.15毫升酒精,与0.3克SnO2纳米材料混合,制备成浆糊状,均匀涂膜在陶瓷管上,厚度110μm,制作传感器。
经表征,该传感器SnO2膜层中纳米SnO2的粒径为9±2纳米,BJH孔径分布集中,孔径的平均尺寸为4.3±0.1nm。
将该传感器分别用于测量酒精浓度为50ppm和100ppm的气体。其测试结果如下表:
表2实施例2中传感器的灵敏度、响应时间和恢复时间
酒精气体浓度(ppm) 灵敏度 响应时间(秒) 恢复时间(秒)
50 14.5 4.0 20.1
100 18.5 4.5 23.5

Claims (8)

1.一种基于酒精分子印迹机制设计的酒精气体传感器,其特征在于:它由陶瓷管和均匀、致密分布在陶瓷管表面的具有网络结构的SnO2膜层组成,所述SnO2膜层中纳米SnO2的粒径为9±2纳米,BJH孔径分布集中,孔径的平均尺寸为4.3±0.1nm,制备方法:(1)将二水氯化亚锡加入水和酒精的混合溶液中,搅拌,在所得的白色悬浮物中加入盐酸,充分搅拌直到溶液变清澈;然后把所得到的溶液放在水热反应釜中密封加热到100-140℃,保持20-24小时,自然冷却,离心处理收集黄色的沉淀物;把该沉淀物水洗,烘干,在空气中300-350℃煅烧2-3小时,最后得到白色的具有网络结构的中等孔径SnO2纳米材料;
(2)将步骤(1)制备得到的SnO2纳米材料加酒精混合成浆糊状,然后在陶瓷管上均匀涂膜,干燥,制得传感器。
2.根据权利要求1所述的基于酒精分子印迹机制设计的酒精气体传感器,其特征在于:所述酒精气体传感器探测酒精气体浓度为4ppm~100ppm范围,响应时间为6±2秒,恢复时间为22±3秒。
3.权利要求1所述的基于酒精分子印迹机制设计的酒精气体传感器的制备方法,其特征在于:它包括以下步骤:
(1)将二水氯化亚锡加入水和酒精的混合溶液中,搅拌,在所得的白色悬浮物中加入盐酸,充分搅拌直到溶液变清澈;然后把所得到的溶液放在水热反应釜中密封加热到100-140℃,保持20-24小时,自然冷却,离心处理收集黄色的沉淀物;把该沉淀物水洗,烘干,在空气中300-350℃煅烧2-3小时,最后得到白色的具有网络结构的中等孔径SnO2纳米材料;
(2)将步骤(1)制备得到的SnO2纳米材料加酒精混合成浆糊状,然后在陶瓷管上均匀涂膜,干燥,制得传感器。
4.根据权利要求3所述的基于酒精分子印迹机制设计的酒精气体传感器的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中水和酒精的体积比为3-2:1。
5.根据权利要求3所述的基于酒精分子印迹机制设计的酒精气体传感器的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述的具有网络结构的中等孔径SnO2纳米材料,SnO2粒径均匀,粒径为9±2纳米,BJH孔径分布集中,孔径的平均尺寸为5.1±0.1nm。
6.根据权利要求3所述的基于酒精分子印迹机制设计的酒精气体传感器的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述的盐酸为38wt%的盐酸。
7.根据权利要求3所述的基于酒精分子印迹机制设计的酒精气体传感器的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中SnO2纳米材料和酒精的重量比为1.5-3:1。
8.根据权利要求3所述的基于酒精分子印迹机制设计的酒精气体传感器的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中的涂膜厚度为90-110μm。
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