CN104880490A - Pd-SnO2氧化物半导体一氧化碳传感器、制备与应用 - Google Patents
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Abstract
一种利用微波辅助水热方法制备的Pd-SnO2氧化物半导体一氧化碳传感器、制备方法及其在检测矿井气体和大气环境中一氧化碳的应用，属于气体传感器技术领域。传感器由市售的外表面自带有2个环形金电极的Al2O3绝缘陶瓷管、涂覆在环形金电极和Al2O3绝缘陶瓷管外表面的Pd-SnO2氧化物半导体敏感材料、穿过Al2O3绝缘陶瓷管内部的镍镉合金加热线圈组成。该传感器对较低浓度(100ppm)的一氧化碳具有较好的线性度，这些特点使Pd-SnO2氧化物半导体一氧化碳传感器能够很好的应用于大气环境和矿井瓦斯检测，进一步可以通过检测一氧化碳浓度判断矿井安全与环境安全。
Description
技术领域
本发明属于气体传感器技术领域，具体涉及一种利用微波辅助水热方法制备的Pd-SnO2氧化物半导体一氧化碳传感器、制备方法及其在检测矿井和大气环境中一氧化碳浓度方面的应用。
背景技术
一氧化碳(CO)是一种无色、无味和无臭的气体，是大气中含碳量第三的成分,仅次于CO2和CH4，是全球碳循环研究中一种重要的气体。在排放源分布不均的情形下，导致全球大气CO浓度呈明显的时空分布差异,也常被作为温室气体源汇研究中重要的示踪物。1949年，通过对太阳光谱的研究发现了大气中的CO，利用分光计方法实现了对大气中CO浓度的首次测量；此后，相关研究机构陆续开展了很多CO浓度观测研究。CO虽然不是温室气体，但是它能通过与OH自由基发生光化学反应影响大气的氧化能力，从而影响大气CO2和CH4的浓度。因此，CO是一种间接的温室气体。间接影响着大气在大气中的浓度的分布和变化，进而对全球气候产生重大影响。CO对大气中微量气体成分变化影响较大，只有更好地了解了CO的源汇分布特征，才能更准确地估算其它相关微量气体的时空变化，因此大气CO浓度的观测研究工作非常必要。
20世纪60年代后期，各国科学家开始对流层大气CO的源汇研究。Robins等(1968)和Seiler等(1974)第一次做了全球CO分布的分析。研究证实CO浓度在两个半球都随季节变化。大气CO浓度资料再分析及源汇研究具有非常重要的作用。大气中CO的源主要包括化石燃料燃烧和生物质燃烧以及CH4和NMHC的氧化导致全球大气CO浓度呈明显的时空分布差异。目前测量本底大气CO浓度的方法也有很多，大气CO主要有采样和在线两种观测方式。
目前，国内外对低浓度一氧化碳气敏传感器的研究工作都处于起步程度，针对低浓度一氧化碳气体的专门传感器还没有形成有效的产业化。限制此类传感器实用化的一个主要因素就是传感器的检测下限较高和灵敏度较低。为了使传感器能够具有低检测下限和高灵敏度，可以使用高性能的敏感材料来实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用微波辅助水热方法制备的Pd-SnO2氧化物半导体一氧化碳传感器、制备方法及其在检测矿井和大气环境中一氧化碳浓度方面的应用。本发明通过对半导体材料进行掺杂，可以降低传感器的检测下限，增加传感器的灵敏度，促进此种传感器在矿井和大气环境中一氧化碳浓度检测的实用化。
本发明所得到的传感器除了具有高灵敏度、低检测下限外，并具有良好的选择性和重复性。该传感器的检测下限为20ppm，因此可用于矿井和大气环境中一氧化碳含量的检测，进而判断矿井和大气环境中的安全。
如图1所示，本发明所述Pd-SnO2氧化物半导体一氧化碳传感器，由市售的外表面自带有2个环形金电极(5)的Al2O3绝缘陶瓷管(1)、涂覆在环形金电极(5)和Al2O3绝缘陶瓷管(1)外表面的半导体敏感材料(2)、穿过Al2O3绝缘陶瓷管(1)镍镉合金加热线圈(3)组成；每个环形金电极(5)上同时带有2条铂线(4)，通过测量铂线间的电阻可以获得两个金环形电极间的电阻，根据灵敏度S的定义公式即S＝Ra/Rg，经过计算可得到传感器的灵敏度。其特征在于：利用Pd-SnO2氧化物半导体作为敏感材料，一方面掺入Pd改变了SnO2纳米片花的催化能力，会提供更多的反应活性位点，这两方面都会大幅提高气体与敏感材料的反应效率，进而提高传感器的灵敏度。另一方面Pd和SnO2颗粒间会形成大量的异质结，这些异质结的出现会提供更多的反应活性位点，这两方面都会大幅提高气体与敏感材料的反应效率，进而提高传感器的灵敏度。此外，管式结构的传感器和氧化物半导体的制作工艺简单，利于工业上批量生产。
本发明所述的Pd-SnO2氧化物半导体一氧化碳传感器的具体制作过程为：
(1)首先将0.025g PdCl2和一定量的乙二胺配置2ml水溶液。
(2)将0.9g SnCl2.2H2O、2.94g Na3C6H5O7.2H2O搅拌的情况下溶于10ml水，将(1)中2ml水溶液加入继续搅拌形成匀质溶液，然后将10ml 0.2M NaOH水溶液逐滴加入后再搅拌5分钟；
(3)将(2)混合溶液放入100ml聚四氟乙烯釜中密封，放入微波水热系统，微波参数设置如下：最大功率300W，首先10分钟加热到180℃，恒温180℃一小时，结束后自然降温到室温，将样品收集用乙醇和去离子水离心后放到培养皿中80℃几个小时，收集样品；
(4)将上述纳米气体敏感材料在500℃下煅烧2小时，得到气体敏感材料，将该敏感材料与去离子水混合成糊状，然后均匀涂覆在市售的外表面自带有2个环形金电极(5)的绝缘Al2O3陶瓷管(1)表面，形成10～40微米的敏感材料薄膜(2)，陶瓷管的长为4～4.5mm，外径为1.2～1.5mm,内径为0.8～1.0mm，并使敏感材料完全覆盖环形金电极(5)；
(5)在红外灯下烘烤15分钟左右，待敏感材料干燥后，把绝缘Al2O3陶瓷管(1)在500℃下煅烧2小时；然后将电阻值为30～40Ω的镍镉加热线圈(3)穿过绝缘Al2O3陶瓷管(1)内部作为加热丝，最后将上述器件按照通用旁热式气敏元件进行焊接和封装，从而得到Pd-SnO2氧化物半导体一氧化碳传感器。
Pd-SnO2氧化物半导体一氧化碳传感器的敏感机理是：当氧气分子与传感器接触时吸附在敏感材料表面，氧气分子从SnO2导带中夺取电子，形成O-，如式(1)-(3)。
当温度低于150℃时发生(1)、(2)反应，吸附的氧分子以O2 -形式存在；当温度在150-400℃范围，发生(1)、(2)和(3)反应，Pd-SnO2氧化物半导体一氧化碳传感器的工作温度在100℃，所以吸附的氧分子以O2 -形式存在。当氧化物半导体材料接触空气中的氧气时能带上弯，并且在表面形成耗尽层，传感器的电阻升高。当传感器与一氧化碳接触时，一氧化碳会与半导体材料上的O2 -发生如下反应(4)
2CO+O2 -→2CO2+e- (4)
之前被氧分子夺走的电子会释放出来，重新回到SnO2的导带中，半导体材料中的能带上弯程度减小，且之前形成耗尽层消失，传感器的电阻降低。Ra为传感器在空气中接触氧气后的电阻，Rg为传感器接触一氧化碳后的电阻，测量传感器在空气和一氧化碳中的电阻并通过传感器的灵敏度S定义公式：S＝Ra/Rg，计算可得到传感器的灵敏度。
本发明的优点：
(1)传感器利用常见的半导体材料SnO2，它具有良好的电导率和化学稳定性；
(2)利用掺杂了Pd的SnO2可以使传感器的灵敏度显著提高，促进其实用化；
(3)Pd-SnO2纳米片是利用微波水热方法且一步合成，方法简单，造价低廉利于批量化的工业生产。
附图说明
图1：Pd-SnO2氧化物半导体一氧化碳传感器的结构示意图；
图2：对比例、实施例1、实施例2和实施例3中传感器在不同工作温度对200ppm一氧化碳的灵敏度对比图。
图3：实施例1、实施例2和实施例3的一氧化碳浓度－灵敏度的标准工作曲线。
如图1所示，各部件名称为：Al2O3绝缘陶瓷管(1)，半导体敏感材料(2)，镍镉合金线圈(3)，铂线(4)、环形金电极(5)；
图2为对比例和实施例1、2、3所制作的器件对200ppm一氧化碳的灵敏度随工作温度的变化曲线。从图中可以看出，对比例的最佳温度在300℃以上，在相对低温的100℃灵敏度几乎为1。实施例2最佳工作温度为100℃，此时灵敏度分别为6.9；实施例1和实施例3的最佳工作温度为125℃，此时的灵敏度分别为5.6和3.7。在最佳工作温度下，实施例2的灵敏度最高，且实施例2的最佳工作温度比对比例的最佳工作温度低很多，更低的最佳工作温度有利于降低功耗。由此可见，通过掺入Pd可以改善敏感材料与一氧化碳的反应效率，进而得到了一个具有高灵敏度的Pd-SnO2氧化物半导体一氧化碳传感器。
图3为实施例1、实施例2、实施例3在最佳工作温度125℃、100℃、125℃的一氧化碳浓度－灵敏度的标准工作曲线。灵敏度测试方法：首先将传感器放入气体箱，通过与传感器连接的电流表测得此时铂线两端的电阻，得到传感器在空气中的电阻值即Ra；然后使用微量进样器向气体箱中注入10～200ppm的一氧化碳，通过测量得到传感器在不同浓度一氧化碳中的电阻值即Rg，根据灵敏度S的定义公式S＝Ra/Rg，通过计算得到不同浓度下传感器的灵敏度，最终得到一氧化碳浓度－灵敏度的标准工作曲线。从图中可以看出，该传感器的检测下限为10ppm，此时的灵敏度为1.4；一氧化碳浓度为200ppm时，此时的灵敏度为6.9。实际测量时可通过上述办法测得Ra、Rg，得到灵敏度值后与一氧化碳浓度－灵敏度的标准工作曲线进行对比，从而得到人体呼吸中的一氧化碳含量。另外，如图所示当气体浓度较小(<10ppm)时，传感器灵敏度的线性较好，这些特点使氧化物半导体一氧化碳传感器能够很好的能够应用于矿井和大气环境中一氧化碳检测。
具体实施方式
对比例1：
以SnO2纳米片花作为敏感材料制作旁热式一氧化碳传感器，其具体的制作过程：
(1)首先将0.025g PdCl2和一定量的乙二胺配置2ml水溶液。
(2)将0.9g SnCl2.2H2O、2.94g Na3C6H5O7.2H2O搅拌的情况下溶于10ml水，将(1)中2ml水溶液加入继续搅拌形成匀质溶液，然后将10ml 0.2M NaOH水溶液逐滴加入后再搅拌5分钟；
(3)将(2)混合溶液放入100ml聚四氟乙烯釜中密封，放入微波水热系统，微波参数设置如下：最大功率300W，首先10分钟加热到180℃，恒温180℃一小时，结束后自然降温到室温，将样品收集用乙醇和去离子水离心后放到培养皿中80℃几个小时，收集样品；
(4)将上述纳米气体敏感材料在500℃下煅烧2小时，得到气体敏感材料，将该敏感材料与去离子水混合成糊状，然后均匀涂覆在市售的外表面自带有2个环形金电极(5)的绝缘Al2O3陶瓷管(1)表面，形成10～40微米的敏感材料薄膜(2)，陶瓷管的长为4～4.5mm，外径为1.2～1.5mm,内径为0.8～1.0mm，并使敏感材料完全覆盖环形金电极(5)；
(5)在红外灯下烘烤15分钟左右，待敏感材料干燥后，把绝缘Al2O3陶瓷管(1)在500℃下煅烧2小时；然后将电阻值为30～40Ω的镍镉加热线圈(3)穿过绝缘Al2O3陶瓷管(1)内部作为加热丝，最后将上述器件按照通用旁热式气敏元件进行焊接和封装，从而得到本发明所述一氧化碳传感器。
实施例1：
以反应物中元素Pd/Sn质量比为0.015：1的Pd-SnO2氧化物半导体作为敏感材料制作一氧化碳传感器，其制作过程为
(1)首先将0.0125g PdCl2和一定量的乙二胺配置2ml水溶液。
(2)将0.9g SnCl2.2H2O、2.94g Na3C6H5O7.2H2O搅拌的情况下溶于10ml水，将(1)中2ml水溶液加入继续搅拌形成匀质溶液，然后将10ml 0.2M NaOH水溶液逐滴加入后再搅拌5分钟；
(3)将(2)混合溶液放入100ml聚四氟乙烯釜中密封，放入微波水热系统，微波参数设置如下：最大功率300W，首先10分钟加热到180℃，恒温180℃一小时，结束后自然降温到室温，将样品收集用乙醇和去离子水离心后放到培养皿中80℃几个小时，收集样品；
(4)将上述纳米气体敏感材料在500℃下煅烧2小时，得到气体敏感材料，将该敏感材料与去离子水混合成糊状，然后均匀涂覆在市售的外表面自带有2个环形金电极(5)的绝缘Al2O3陶瓷管(1)表面，形成10～40微米的敏感材料薄膜(2)，陶瓷管的长为4～4.5mm，外径为1.2～1.5mm,内径为0.8～1.0mm，并使敏感材料完全覆盖环形金电极(5)；
(5)在红外灯下烘烤15分钟左右，待敏感材料干燥后，把绝缘Al2O3陶瓷管(1)在500℃下煅烧2小时；然后将电阻值为30～40Ω的镍镉加热线圈(3)穿过绝缘Al2O3陶瓷管(1)内部作为加热丝，最后将上述器件按照通用旁热式气敏元件进行焊接和封装，从而得到本发明所述一氧化碳传感器。
实施例2：
以反应物中元素Pd/Sn质量比为0.030：1的Pd-SnO2氧化物半导体作为敏感材料制作一氧化碳传感器，其制作过程为
(1)首先将0.025g PdCl2和一定量的乙二胺配置2ml水溶液。
(2)将0.9g SnCl2.2H2O、2.94g Na3C6H5O7.2H2O搅拌的情况下溶于10ml水，将(1)中2ml水溶液加入继续搅拌形成匀质溶液，然后将10ml 0.2M NaOH水溶液逐滴加入后再搅拌5分钟；
(3)将(2)混合溶液放入100ml聚四氟乙烯釜中密封，放入微波水热系统，微波参数设置如下：最大功率300W，首先10分钟加热到180℃，恒温180℃一小时，结束后自然降温到室温，将样品收集用乙醇和去离子水离心后放到培养皿中80℃几个小时，收集样品；
(4)将上述纳米气体敏感材料在500℃下煅烧2小时，得到气体敏感材料，将该敏感材料与去离子水混合成糊状，然后均匀涂覆在市售的外表面自带有2个环形金电极(5)的绝缘Al2O3陶瓷管(1)表面，形成10～40微米的敏感材料薄膜(2)，陶瓷管的长为4～4.5mm，外径为1.2～1.5mm,内径为0.8～1.0mm，并使敏感材料完全覆盖环形金电极(5)；
(5)在红外灯下烘烤15分钟左右，待敏感材料干燥后，把绝缘Al2O3陶瓷管(1)在500℃下煅烧2小时；然后将电阻值为30～40Ω的镍镉加热线圈(3)穿过绝缘Al2O3陶瓷管(1)内部作为加热丝，最后将上述器件按照通用旁热式气敏元件进行焊接和封装，从而得到本发明所述一氧化碳传感器。
实施例3：
以反应物中元素Pd/Sn质量比为0.045：1的Pd-SnO2氧化物半导体作为敏感材料制作一氧化碳传感器，其制作过程为
(1)首先将0.0375g PdCl2和一定量的乙二胺配置2ml水溶液。
(2)将0.9g SnCl2.2H2O、2.94g Na3C6H5O7.2H2O搅拌的情况下溶于10ml水，将(1)中2ml水溶液加入继续搅拌形成匀质溶液，然后将10ml 0.2M NaOH水溶液逐滴加入后再搅拌5分钟；
(3)将(2)混合溶液放入100ml聚四氟乙烯釜中密封，放入微波水热系统，微波参数设置如下：最大功率300W，首先10分钟加热到180℃，恒温180℃一小时，结束后自然降温到室温，将样品收集用乙醇和去离子水离心后放到培养皿中80℃几个小时，收集样品；
(4)将上述纳米气体敏感材料在500℃下煅烧2小时，得到气体敏感材料，将该敏感材料与去离子水混合成糊状，然后均匀涂覆在市售的外表面自带有2个环形金电极(5)的绝缘Al2O3陶瓷管(1)表面，形成10～40微米的敏感材料薄膜(2)，陶瓷管的长为4～4.5mm，外径为1.2～1.5mm,内径为0.8～1.0mm，并使敏感材料完全覆盖环形金电极(5)；
(5)在红外灯下烘烤15分钟左右，待敏感材料干燥后，把绝缘Al2O3陶瓷管(1)在500℃下煅烧2小时；然后将电阻值为30～40Ω的镍镉加热线圈(3)穿过绝缘Al2O3陶瓷管(1)内部作为加热丝，最后将上述器件按照通用旁热式气敏元件进行焊接和封装，从而得到本发明所述一氧化碳传感器。
Claims (5)
1.一种Pd-SnO2氧化物半导体一氧化碳传感器，由外表面带有2个环形金电极(5)的Al2O3绝缘陶瓷管(1)、涂覆在环形金电极(5)和Al2O3绝缘陶瓷管(1)外表面的半导体敏感材料(2)、穿过Al2O3绝缘陶瓷管(1)内部的镍镉合金加热线圈(3)和用于导电的铂线(4)组成；其特征在于：半导体敏感材料(2)为Pd-SnO2氧化物半导体，该敏感材料是采用微波辅助水热技术制备，经煅烧，涂覆在环形金电极(5)和Al2O3绝缘陶瓷管(1)外表面。
2.如权利要求1所述的Pd-SnO2氧化物半导体一氧化碳传感器，其特征在于：陶瓷管的长为4～4.5mm，外径为1.2～1.5mm，内径为0.8～1.0mm。
3.权利要求1所述的一种Pd-SnO2氧化物半导体一氧化碳传感器的制备方法，其步骤如下：
(1)首先将0.025g PdCl2和一定量的乙二胺配置2ml水溶液；
(2)将0.9g SnCl2.2H2O、2.94g Na3C6H5O7.2H2O搅拌的情况下溶于10ml水，将(1)中2ml水溶液加入继续搅拌形成匀质溶液，然后将10ml 0.2M NaOH水溶液逐滴加入后再搅拌5分钟；
(3)将(2)混合溶液放入100ml聚四氟乙烯釜中密封，放入微波水热系统，微波参数设置如下：最大功率300W，首先10分钟加热到180℃，恒温180℃一小时，结束后自然降温到室温，将样品收集用乙醇和去离子水离心后放到培养皿中80℃几个小时，收集样品；
(4)将上述纳米气体敏感材料在500℃下煅烧2小时，得到气体敏感材料，将该敏感材料与去离子水混合成糊状，然后均匀涂覆在市售的外表面自带有2个环形金电极(5)的绝缘Al2O3陶瓷管(1)表面，形成10～40微米的敏感材料薄膜(2)，陶瓷管的长为4～4.5mm，外径为1.2～1.5mm,内径为0.8～1.0mm，并使敏感材料完全覆盖环形金电极(5)；
(5)在红外灯下烘烤15分钟左右，待敏感材料干燥后，把绝缘Al2O3陶瓷管(1)在500℃下煅烧2小时；然后将电阻值为30～40Ω的镍镉加热线圈(3)穿过绝缘Al2O3陶瓷管(1)内部作为加热丝，最后将上述器件按照通用旁热式气敏元件进行焊接和封装，从而得到Pd-SnO2氧化物半导体一氧化碳传感器。
4.权利要求1所述的一种Pd-SnO2氧化物半导体一氧化碳传感器，其特征在于：以掺杂量Pd的SnO2氧化物半导体作为敏感材料，一方面掺入Pd改变了SnO2纳米片花的催化能力，会提供更多的反应活性位点，这两方面都会大幅提高气体与敏感材料的反应效率，进而提高传感器的灵敏度，另一方面Pd和SnO2颗粒间会形成大量的异质结，这些异质结的出现会提供更多的反应活性位点，这两方面都会大幅提高气体与敏感材料的反应效率，进而提高传感器的灵敏度。
5.如权利要求4所述的一种Pd-SnO2氧化物半导体一氧化碳传感器在矿井气体和大气环境检测的应用，其特征在于：用于检测一氧化碳浓度。
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