CN105036068B - 一种适于低温酒精传感器的复合材料及其应用 - Google Patents
一种适于低温酒精传感器的复合材料及其应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种适于低温酒精传感器的复合材料及其应用，是以TiO2纳米带为载体，其表面均匀分散着SnO2纳米颗粒和SnO2纳米片并形成SnO2/TiO2异质结的复合材料。本发明的产品利用SnO2的高能量暴露面和SnO2与TiO2之间形成的异质结构以及两者的协同作用，有效地降低了材料对气体响应的工作温度，并对酒精表现出良好的选择性，在制备低温选择性的酒精传感器中应用前景广大；且制备过程生产周期短，重复性好，原料丰富，成本低廉，适于规模化生产和推广。
Description
技术领域
本发明属于半导体氧化物低温气体传感器技术领域，具体涉及一种基于SnO2/TiO2异质结构纳米带的一种适于低温酒精传感器的复合材料及其应用。
背景技术
二氧化锡禁带宽度为3.6eV，作为一种n-型半导体气体传感材料广泛应用于各个领域，例如化学，生物医药，汽车工业，酒精质量检测，空气质量监控以及呼吸气体分析等。气体分子的检测经过吸附-氧化(或还原)-解吸附的过程，接触吸附二氧化锡表面后，消耗其表面化学吸附的氧原子(O2 -，O2-，O-)进行氧化或还原反应，从而改变二氧化锡表面电子空位层，引起材料电阻的变化。但是通常需要高温(200-400℃)来增加气体分子解吸附的动能从而克服吸附能，这影响了气敏材料的稳定性和使用寿命，并且可能诱发燃烧或爆炸的危险。因此，对于低温响应的气敏传感器的研究具有十分重要的意义。
研究表明二氧化锡的气敏性能很大程度上决定于不同合成方法所造成的晶体尺寸，暴露面和表面形貌的差异。其中制备高能面的二氧化锡纳米晶体受到尤其多的关注，例如，高能面(221)的八面体纳米颗粒相对于传统低能表面(110)，(101)或(100)的二氧化锡表现出更好的气敏响应。另一个改性气敏传感器的方法是通过在材料表面构建异质结，一维二氧化钛纳米带因其非常高的表面积/体积比和性能的多样性通常用做复合结构的载体，二氧化锡纳米颗粒或纳米片与二氧化钛纳米带间的异质结构不仅能够利用不同材料的性能，而且电子在晶面间的传输有利于表面电化学性能的提升。经检索，有关以TiO2纳米带为载体，其表面均匀分散着SnO2纳米颗粒和和SnO2纳米片并形成SnO2/TiO2异质结的制备和及其在低温酒精传感器制备中的应用还未见报道。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种适于低温酒精传感器的复合材料及其应用。
本发明所述的适于低温酒精传感器的复合材料，其特征在于，所述复合材料是以TiO2纳米带为载体，其表面均匀分散着SnO2纳米颗粒和SnO2纳米片并形成SnO2/TiO2异质结；其中，所述TiO2纳米带长度为5-20μm，宽度为50-200nm，厚度为30±5nm，所述SnO2纳米颗粒粒径为30±5nm，SnO2纳米片单片面积为400-1000nm2，厚度为20±5nm，SnO2在所述适于低温酒精传感器的复合材料中占的质量分数为40％～80％；且该适于低温酒精传感器的复合材料由以下方法制得：
(1)向摩尔浓度为0.5～1mol/L的SnCl2·2H2O溶液中，依次加入等体积的摩尔浓度为1～2mol/L的Na3C6H5O7·2H2O溶液和摩尔浓度为0.05～0.1mol/L的NaOH溶液，搅拌30±10min，得到前驱体锡溶液；
(2)以钛与锡元素摩尔比值为0.1～1向前驱体锡溶液中加入TiO2纳米带，搅拌1±0.5h后转入反应釜中，在180±10℃下水热反应12±2h，待反应完毕后自然冷却，水洗产物6～8次并在70±20℃下干燥12±2h，Sn2+被部分氧化成Sn4+得到Sn3O4纳米片，Sn3O4纳米片垂直生长在TiO2纳米带表面形成中间产物异质结构Sn3O4/TiO2；
(3)将中间产物异质结构Sn3O4/TiO2放入管式炉中，以升温速率10±5℃/min升温至400～700℃，加热时间为0.5～2h，期间通入氧气，气流大小控制在100±20mL/min，热处理完毕后，以速率20±5℃/min降温至室温，Sn2+被完全氧化得到以TiO2纳米带为载体，其表面均匀分散着SnO2纳米颗粒和SnO2纳米片并形成SnO2/TiO2异质结的复合材料，即为适于低温酒精传感器的复合材料。
上述适于低温酒精传感器的复合材料中，步骤(2)中所述钛与锡元素摩尔比值优选为0.2～0.6。
上述适于低温酒精传感器的复合材料中，步骤(3)中所述热处理优选是将管式炉以升温速率为10±2℃/min升温至500～600℃，加热时间为1～1.5h。
本发明所述适于低温酒精传感器的复合材料在制备低温选择性的酒精传感器中的应用。
上述应用中，所述低温选择性的酒精传感器由以下方法制得：
将权利要求1所述适于低温酒精传感器的复合材料与去离子水按质量比1:1～3:1混合并研磨得到料浆，然后用毛刷将料浆均匀涂覆到市售的陶瓷管外表面形成约5μm厚的薄层，于空气中干燥24±6h，其中所述陶瓷管两端有两个环形金电极，每个金电极上接有两条铂丝；
将电阻值为30±5Ω的镍镉电阻丝穿过陶瓷管，并将该器件焊接在基座上；然后安插至气敏元件测试系统，并在加热电压4.5±1v下老化36±12h，即制得低温选择性的酒精传感器。
本发明的有益效果是：
本发明是以TiO2纳米带作为载体，通过水热和氧气氛高温分步氧化Sn2+，得到均匀分散在纳米带表面的纳米颗粒和纳米片状形貌的SnO2。本发明公开的方法成功制备得到了具有高能活性面的SnO2纳米片，与TiO2晶面形成的异质结有利于复合材料电子的传输，提供更多的反应活性位点，两者的协同作用极大地提升了对气体的响应。利用这种方法可以快速得到特定组成的SnO2和TiO2复合材料，具有方法简单，原料丰富，成本低廉等特点。
本发明提供的适于低温酒精传感器的复合材料在制备低温选择性的酒精传感器中的应用。该SnO2/TiO2复合材料在低温下对酒精具有选择性响应；不需要借助贵金属或其他附加设备，器件工艺简单，体积小，适于工业生产，具有应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例2制备的适于低温酒精传感器的SnO2/TiO2复合材料的X射线粉末衍射图(XRD)。横坐标是衍射角，纵坐标是相对衍射强度。
图2为本发明实施例2制备的适于低温酒精传感器的SnO2/TiO2复合材料的扫描电镜图(SEM)。
图3为本发明实施例2制备的适于低温酒精传感器的SnO2/TiO2复合材料的高分辨透射电镜图(HRTEM)。
图4为本发明实施例2制备的适于低温酒精传感器的SnO2/TiO2复合材料在不同温度下对酒精、甲醇和丙酮的响应对比。
图5为本发明实施例2制备的适于低温酒精传感器的SnO2/TiO2复合材料在不同温度下对100ppm酒精的响应恢复曲线。
图6为本发明实施例2制备的适于低温酒精传感器的SnO2/TiO2复合材料在工作温度43℃下对不同浓度酒精的响应恢复曲线。
具体实施方式
下面结合实施例及说明书附图对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明所保护范围不仅限于此。
本发明中所述的TiO2纳米带是市售产品，或由以下方法预制备：
向20mL10M的NaOH溶液中加入0.2g德国Degussa公司的P25粉末，超声、搅拌各1h后，转入25mL的反应釜中，于200℃下保温72h；反应完毕后自然冷却，产物用水洗至中性，并在60℃下干燥12h；将干燥后的产物加入20mL0.02M的硫酸溶液中，转入反应釜，100℃下保温12h；反应完毕后水洗并于60℃下干燥12h，然后600℃下煅烧2h，即制得TiO2纳米带。
实施例1：
①取10mL摩尔浓度0.6mol/L的SnCl2·2H2O溶液，向其中依次加入10mL摩尔浓度1.5mol/L的Na3C6H5O7·2H2O溶液和10mL摩尔浓度0.06mol/L的NaOH溶液，搅拌30min，得到前驱体锡溶液；
②以钛与锡元素摩尔比值0.1向前驱体锡溶液中加入0.6mmol预制备的TiO2纳米带，搅拌1h后转入50mL反应釜中，在180℃下水热反应12h，待反应完毕后自然冷却，水洗产物6～8次并在70℃下干燥12h，Sn2+被部分氧化成Sn4+得到Sn3O4纳米片，并且Sn3O4纳米片垂直生长在TiO2纳米带表面形成中间产物异质结构Sn3O4/TiO2；
③将中间产物异质结构Sn3O4/TiO2放入管式炉中，以升温速率10℃/min升温至550℃，加热时间为1h，期间通入氧气，气流大小控制在100mL/min，热处理完毕后，以速率20℃/min降温至室温，Sn2+被完全氧化得到以TiO2纳米带为载体，其表面均匀分散着SnO2纳米颗粒和SnO2纳米片并形成SnO2/TiO2异质结的复合材料，即为适于低温酒精传感器的复合材料。
上述的复合材料中，TiO2纳米带长度为5-20μm，宽度为50-200nm，厚度为30±5nm，所述SnO2纳米颗粒粒径为30±5nm，SnO2纳米片单片面积为400-1000nm2。
上述适于低温酒精传感器的复合材料在制备低温选择性的酒精传感器中的应用：
将制备的以TiO2纳米带为载体，其表面均匀分散着SnO2纳米颗粒和SnO2纳米片并形成SnO2/TiO2异质结与去离子水按质量比2:1混合并研磨得到料浆，然后用毛刷将料浆均匀涂覆到市售的陶瓷管外表面(陶瓷管两端有两个环形金电极，每个金电极上接有两条铂丝)，形成约5μm厚的薄层，空气中干燥24h；将电阻值约为30Ω的镍镉电阻丝穿过陶瓷管，然后将该器件焊接在基座上；安插至气敏元件测试系统，并在加热电压4.5v下老化36h，从而制得低温酒精传感器。
实施例2：
①取10mL摩尔浓度0.6mol/L的SnCl2·2H2O溶液，向其中依次加入10mL摩尔浓度1.5mol/L的Na3C6H5O7·2H2O溶液和10mL摩尔浓度0.06mol/L的NaOH溶液，搅拌30min，得到前驱体锡溶液；
②以钛与锡元素摩尔比值0.4向前驱体锡溶液中加入2.4mmol预制备的TiO2纳米带，搅拌1h后转入50mL反应釜中，在180℃下水热反应12h，待反应完毕后自然冷却，水洗产物6～8次并在70℃下干燥12h，Sn2+被部分氧化成Sn4+得到Sn3O4纳米片，并且Sn3O4纳米片垂直生长在TiO2纳米带表面形成中间产物异质结构Sn3O4/TiO2；
③将中间产物异质结构Sn3O4/TiO2放入管式炉中，以升温速率10℃/min升温至550℃，加热时间为1h，期间通入氧气，气流大小控制在100mL/min，热处理完毕后，以速率20℃/min降温至室温，Sn2+被完全氧化得到以TiO2纳米带为载体，其表面均匀分散着SnO2纳米颗粒和SnO2纳米片并形成SnO2/TiO2异质结的复合材料，即为适于低温酒精传感器的复合材料。
将所得的产物SnO2/TiO2纳米带复合材料用德国布鲁克D8X射线衍射仪分析，发现产物由SnO2四方晶系和TiO2锐钛矿相组成(图1)。
将该样品进一步用HITACHIS-4800场发射扫描电子显微镜(图2)和JOELJEM2100透射电镜(图3)进行观察，从图中可以看出SnO2具有两种形貌:大小约为30nm的纳米颗粒和单片面积为400-1000nm2，厚度约为20nm的纳米片，均匀分散在TiO2纳米带表面；并且在SnO2与TiO2晶面间形成异质结。
上述适于低温酒精传感器的复合材料在制备低温选择性的酒精传感器中的应用：
将制备的以TiO2纳米带为载体，其表面均匀分散着SnO2纳米颗粒和SnO2纳米片并形成SnO2/TiO2异质结与去离子水按质量比2:1混合并研磨得到料浆，然后用毛刷将料浆均匀涂覆到市售的陶瓷管外表面(陶瓷管两端有两个环形金电极，每个金电极上接有两条铂丝)，形成约5μm厚的薄层，空气中干燥24h；将电阻值约为30Ω的镍镉电阻丝穿过陶瓷管，然后将该器件焊接在基座上；安插至气敏元件测试系统，并在加热电压4.5v下老化36h，从而制得低温酒精传感器。
所得的SnO2/TiO2低温酒精传感器在不同温度下对100ppm酒精、甲醇和丙酮的响应对比(图4)，SnO2/TiO2复合材料在约250℃处灵敏度达到最高，随着工作温度的降低灵敏度减小，但在50℃左右对100ppm酒精的响应仍然达到了15；其在不同温度下对100ppm酒精的响应恢复曲线(图5)显示材料在不同温度下均有响应；图6在工作温度43℃下对不同浓度酒精的响应恢复曲线表明这种低温酒精传感器复合材料的气敏响应与酒精浓度成正比。
实施例3：
①取10mL摩尔浓度0.6mol/L的SnCl2·2H2O溶液，向其中依次加入10mL摩尔浓度1.5mol/L的Na3C6H5O7·2H2O溶液和10mL摩尔浓度0.06mol/L的NaOH溶液，搅拌30min，得到前驱体锡溶液；
②以钛与锡元素摩尔比值1向前驱体锡溶液中加入6mmol预制备的TiO2纳米带，搅拌1h后转入50mL反应釜中，在180℃下水热反应12h，待反应完毕后自然冷却，水洗产物6～8次并在70℃下干燥12h，Sn2+被部分氧化成Sn4+得到Sn3O4纳米片，并且Sn3O4纳米片垂直生长在TiO2纳米带表面形成中间产物异质结构Sn3O4/TiO2；
③将中间产物异质结构Sn3O4/TiO2放入管式炉中，以升温速率10℃/min升温至550℃，加热时间为1h，期间通入氧气，气流大小控制在100mL/min，热处理完毕后，以速率20℃/min降温至室温，Sn2+被完全氧化得到以TiO2纳米带为载体，其表面均匀分散着SnO2纳米颗粒和SnO2纳米片并形成SnO2/TiO2异质结的复合材料，即为适于低温酒精传感器的复合材料。
上述的复合材料中，TiO2纳米带长度为5-20μm，宽度为50-200nm，厚度为30±5nm，所述SnO2纳米颗粒粒径为30±5nm，SnO2纳米片单片面积为400-1000nm2。
上述适于低温酒精传感器的复合材料在制备低温选择性的酒精传感器中的应用：
将制备的以TiO2纳米带为载体，其表面均匀分散着SnO2纳米颗粒和SnO2纳米片并形成SnO2/TiO2异质结与去离子水按质量比2:1混合并研磨得到料浆，然后用毛刷将料浆均匀涂覆到市售的陶瓷管外表面(陶瓷管两端有两个环形金电极，每个金电极上接有两条铂丝)，形成约5μm厚的薄层，空气中干燥24h；将电阻值约为30Ω的镍镉电阻丝穿过陶瓷管，然后将该器件焊接在基座上；安插至气敏元件测试系统，并在加热电压4.5v下老化36h，从而制得低温酒精传感器。
Claims (5)
1.一种适于低温酒精传感器的复合材料，其特征在于，所述复合材料是以TiO2纳米带为载体，其表面均匀分散着SnO2纳米颗粒和SnO2纳米片并形成SnO2/TiO2异质结；其中，所述TiO2纳米带长度为5-20μm，宽度为50-200nm，厚度为30±5nm，所述SnO2纳米颗粒粒径为30±5nm，SnO2纳米片单片面积为400-1000nm2，厚度为20±5nm，SnO2在所述适于低温酒精传感器的复合材料中占的质量分数为40％～80％；且该适于低温酒精传感器的复合材料由以下方法制得：
(1)向摩尔浓度为0.5～1mol/L的SnCl2·2H2O溶液中，依次加入与SnCl2·2H2O溶液体积量相同体积的摩尔浓度为1～2mol/L的Na3C6H5O7·2H2O溶液和与SnCl2·2H2O溶液体积量相同体积的摩尔浓度为0.05～0.1mol/L的NaOH溶液，搅拌30±10min，得到前驱体锡溶液；
(2)以钛与锡元素摩尔比值为0.1～1向前驱体锡溶液中加入TiO2纳米带，搅拌1±0.5h后转入反应釜中，在180±10℃下水热反应12±2h，待反应完毕后自然冷却，水洗产物6～8次并在70±20℃下干燥12±2h，Sn2+被部分氧化成Sn4+得到Sn3O4纳米片，Sn3O4纳米片垂直生长在TiO2纳米带表面形成中间产物异质结构Sn3O4/TiO2；
(3)将中间产物异质结构Sn3O4/TiO2放入管式炉中，以升温速率10±5℃/min升温至400～700℃，加热时间为0.5～2h，期间通入氧气，气流大小控制在100±20mL/min，热处理完毕后，以速率20±5℃/min降温至室温，Sn2+被完全氧化得到以TiO2纳米带为载体，其表面均匀分散着SnO2纳米颗粒和SnO2纳米片并形成SnO2/TiO2异质结的复合材料，即为适于低温酒精传感器的复合材料。
2.根据权利要求1所述适于低温酒精传感器的复合材料，其特征在于，步骤(2)中所述钛与锡元素摩尔比值为0.2～0.6。
3.根据权利要求1所述适于低温酒精传感器的复合材料，其特征在于，步骤(3)中所述热处理是将管式炉以升温速率为10±2℃/min升温至500～600℃，加热时间为1～1.5h。
4.根据权利要求1所述适于低温酒精传感器的复合材料在制备低温选择性的酒精传感器中的应用。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述低温选择性的酒精传感器由以下方法制得：
将权利要求1所述适于低温酒精传感器的复合材料与去离子水按质量比1:1～3:1混合并研磨得到料浆，然后用毛刷将料浆均匀涂覆到市售的陶瓷管外表面形成5μm厚的薄层，于空气中干燥24±6h，其中所述陶瓷管两端有两个环形金电极，每个金电极上接有两条铂丝；
将电阻值为30±5Ω的镍镉电阻丝穿过陶瓷管，并将该器件焊接在基座上；然后安插至气敏元件测试系统，并在加热电压4.5±1v下老化36±12h，即制得低温选择性的酒精传感器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |