CN105866183A - 一种镧掺杂的甲醛敏感材料及其制备方法和甲醛传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种镧掺杂的甲醛敏感材料及其制备方法和甲醛传感器。该光催化甲醛敏感材料，包含镧掺杂的氧化锌纳米颗粒，其中镧的摩尔比为0.1％‑5％。该光催化甲醛敏感材料的制备方法包括：1)将氧化锌纳米颗粒与镧盐混合，并用酒精溶解，得到溶液A；2)将溶液A导入磨罐中密封，并用球磨机进行机械研磨，得到溶液B；3)将溶液B放入烘箱中蒸干溶剂，得到产物C，即为光催化甲醛敏感材料。本发明通过优化镧在氧化锌中的掺入量，成功地将甲醛的检测下限降到了0.08ppm，显著的提高了传感器的敏感度；光催化材料的制备方法简单，适合大规模生产，制备过程中大大减少了废水的排放，降低了环境污染。

Description

一种镧掺杂的甲醛敏感材料及其制备方法和甲醛传感器

技术领域

本发明属于甲醛气体监测技术、甲醛传感器技术领域，具体涉及一种镧掺杂的光催化甲醛敏感材料及其制备方法和甲醛传感器。

背景技术

目前在中国甲醛污染仍然非常严重，近70％新装修的房子都受到甲醛污染的困扰。世界卫生组织已确认甲醛味一级致癌物质，我国规定：室内甲醛含量不得超过0.08ppm。但是目前的已有的甲醛传感器的敏感度都不尽如人意。

专利201510477075.3(锡掺杂的光催化甲醛传感材料及其制备方法和甲醛传感器)涉及到一种光催化甲醛传感材料、制备方法。该传感器是由氧化锌纳米颗粒及锡添加剂作为气敏材料。将预先合成的氧化锌纳米颗粒均匀分散在锡盐溶液中，通过搅拌溶液并蒸干溶剂，得到沉淀物；对沉淀物进行高温煅烧处理，得到产物即为光催化甲醛传感材料。该传感器操作温度低、对甲醛的灵敏度高并且对于苯、甲苯、二甲苯、氨等室内污染气体具有很强的抗干扰能力，并且具有很短的响应时间和回复时间的特点。但是能够检测到的甲醛浓度的下限为0.1ppm，还不能达到世界卫生组织所设定的室内甲醛含量的下限检测标准。同时通过溶液法制备光催化甲醛敏感材料制备过程复杂，制备过程中产生的废液多，不适合大规模生产。因此探索开发灵敏度更高的、制备工艺更简单的甲醛传感器尤为重要。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种低成本、高灵敏度、高选择性的镧(La)掺杂的光催化甲醛敏感材料(或称为光催化甲醛传感材料)，以及应用该材料的的甲醛传感器。

本发明采用的技术方案如下：

一种光催化甲醛敏感材料，包含镧掺杂的氧化锌纳米颗粒。

进一步地，所述镧掺杂的氧化锌纳米颗粒中，镧的摩尔比为0.1％-5％，进一步为1％最优。

一种制备上述光催化甲醛敏感材料的方法，其步骤包括：

1)将氧化锌纳米颗粒与镧盐混合，并用酒精溶解，得到溶液A；

2)将溶液A导入磨罐中密封，并用球磨机进行机械研磨，得到溶液B；

3)将溶液B放入烘箱中蒸干溶剂，得到产物C，即为光催化甲醛敏感材料。

进一步地，步骤1)中所述镧盐优选硝酸镧。

进一步地，步骤2)中球磨机球磨时间为1-600min，转速为10-1000rpm。优选为60min、800rpm。

进一步地，步骤3)在60-100℃下蒸干溶剂，时间为0.1-24h。优选为80℃，2h。

一种采用上述光催化甲醛敏感材料制备甲醛传感器，其包括：

a)上述甲醛敏感材料；

b)电极，其上涂敷所述光催化甲醛敏感材料；

c)紫外光源，用于提供紫外光以在检测时对电极区域进行照射；

d)测量电路，连接所述电极，用于检测紫外光照射电极区域时甲醛敏感材料所产生的光致电导变化，进而测得甲醛含量。

进一步地，a)中材料通过溅射、蒸发、喷涂等方法涂覆到电极上，优选喷涂法。

进一步地，b)中电极为叉指电极。

进一步地，c)中紫外光源的波长为350-400nm，优选380nm。

进一步地，c)中紫外光源距离电极区域的距离为1-10mm，优选3mm。

本发明提供了一种低成本、高灵敏度、工艺流程简单的光催化甲醛敏感材料。相比于现有技术，通过优化镧在氧化锌中的掺入量，成功地将甲醛的检测下限降到了0.08ppm，显著的提高了传感器的敏感度。本发明的光催化材料的制备方法简单，适合大规模生产，制备过程中大大减少了废水的排放，降低了环境污染。

附图说明

图1是本发明的光催化甲醛敏感材料的合成方法的工艺流程图。

图2是不同镧掺杂比例样品对3ppm甲醛的响应大小。

图3是1％镧掺杂样品的粉沫衍射图谱。

图4是1％镧掺杂样品对0.08ppm甲醛响应大小。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。

图1是本发明的光催化甲醛敏感材料的合成方法的步骤流程图，包括如下步骤：

1.将预先合成的氧化锌纳米颗粒与镧盐混合后加入酒精溶液溶解；

2.把溶液倒入球磨罐中密封，放入球磨机中进行球磨，球磨时间为1-600min，球磨速度为10-1000rpm；

3.将球磨后的溶液放入烘箱中干燥，烘箱温度为60-100℃，时间0.1-24h。所得物质即为甲醛敏感材料；

4.将所得材料涂覆到叉指电极上；

5.将紫外光源固定在距离叉指电极的正上方1-10mm处，即得到甲醛传感器。

实施例1：1％镧掺杂甲醛敏感材料的合成及测试

步骤一：1％镧掺杂甲醛敏感材料的合成

将50g氧化锌纳米材料与0.2g硝酸镧混合(镧的摩尔比为1％)，将混合物溶解在20ml的无水乙醇中形成溶液，然后倒入球墨罐中并密封。在球磨机中进行球磨，球磨时间为60分钟，球磨速度为800rpm；将球磨后的溶液放入烘箱中烘干，温度为80℃，时间为2h。

图3是本实施例的1％镧掺杂样品的粉沫衍射图谱，可以看出，样品的主相为ZnO，并有微量的硝酸镧。

步骤二：甲醛传感器制备

将制备的甲醛敏感材料通过喷涂法涂覆到叉指电极上。将波长为380nm的紫外灯固定在距离叉指电极的正上方3mm处，即得到甲醛传感器。

步骤三：甲醛检测

提供传感器叉指电极10V稳压电路，同时提供紫外灯5V电压。图4是甲醛传感器对0.08ppm甲醛的响应大小。可以看出，本实施例成功地将甲醛的检测下限降到了0.08ppm，显著的提高了传感器的敏感度。

实施例2：不同镧掺杂比例样品对3ppm甲醛的响应大小

图2是不同镧掺杂比例(镧的摩尔百分含量为0-5％)的样品对同种浓度甲醛(3ppm)的响应大小。可以看出，镧掺杂的最优比例为1％。

实施例3：

将氧化锌纳米材料与硝酸镧混合，其中镧的摩尔比为0.1％，将混合物溶解在无水乙醇中形成溶液，然后倒入球墨罐中并密封。在球磨机中进行球磨，球磨时间为20分钟，球磨速度为1000rpm；将球磨后的溶液放入烘箱中烘干，温度为60℃，时间为24h。所得物质即为甲醛敏感材料。

实施例4：

将氧化锌纳米材料与硝酸镧混合，其中镧的摩尔比为5％，将混合物溶解在无水乙醇中形成溶液，然后倒入球墨罐中并密封。在球磨机中进行球磨，球磨时间为600分钟，球磨速度为10rpm；将球磨后的溶液放入烘箱中烘干，温度为100℃，时间为0.1h。所得物质即为甲醛敏感材料。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (10)

1.一种光催化甲醛敏感材料，其特征在于，包含镧掺杂的氧化锌纳米颗粒。

2.如权利要求1所述的光催化甲醛敏感材料，其特征在于，所述镧掺杂的氧化锌纳米颗粒中，镧的摩尔比为0.1％-5％。

3.如权利要求2所述的光催化甲醛敏感材料，其特征在于，所述镧掺杂的氧化锌纳米颗粒中，镧的摩尔比为1％。

4.一种制备权利要求1所述光催化甲醛敏感材料的方法，其步骤包括：

1)将氧化锌纳米颗粒与镧盐混合，并用酒精溶解，得到溶液A；

2)将溶液A导入磨罐中密封，并用球磨机进行机械研磨，得到溶液B；

3)将溶液B放入烘箱中蒸干溶剂，得到产物C，即为光催化甲醛敏感材料。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1)所述镧盐为硝酸镧。

6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，步骤2)中球磨机的球磨时间为1-600min，转速为10-1000rpm；步骤3)在60-100℃下蒸干溶剂，时间为0.1-24h。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤2)中球磨机的球磨时间为60min，转速为800rpm；步骤3)在80℃下蒸干溶剂，时间为2h。

8.一种采用权利要求1所述光催化甲醛敏感材料的甲醛传感器，其特征在于，包括：

电极，其上涂敷权利要求1所述光催化甲醛敏感材料；

紫外光源，用于提供紫外光以在检测时对电极区域进行照射；

测量电路，连接所述电极，用于检测紫外光照射电极区域时甲醛敏感材料所产生的光致电导变化，进而测得甲醛含量。

9.如权利要求8所述的甲醛传感器，其特征在于，所述光催化甲醛敏感材料通过溅射、蒸发、或喷涂方法涂覆到电极上。

10.如权利要求8或9所述的甲醛传感器，其特征在于，所述电极为叉指电极；所述紫外光源的波长为350-400nm；所述紫外光源距离电极区域的距离为1-10mm。