CN105866188A - 一种用于高灵敏高选择探测苯甲醛气体传感材料的制备方法 - Google Patents

一种用于高灵敏高选择探测苯甲醛气体传感材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于高灵敏高选择探测苯甲醛气体传感材料的制备方法，该制备方法包括片状或花状氢氧化镍中间体的形成和热处理过程。通过实验有力证实，所得氧化镍气敏传感材料对苯甲醛目标分析物响应值高，选择性好，且具有较快的响应和恢复特征。同时所制备的氧化镍基气敏传感材料40天后平均响应值保持在95%以上，具有良好的重复性和长时间稳定性。本发明所述方案原料易得，成本低廉，制备流程简单，能应用于大规模生产，适用于不同场合苯甲醛气体探测。

Description

一种用于高灵敏高选择探测苯甲醛气体传感材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于高灵敏高选择探测苯甲醛气体传感材料的制备方法，属于气湿敏传感材料制备技术领域。
背景技术
气体检测在环境保护、反恐防爆、日常生活或特定工作场合和工业化自动化生产具有广泛的应用前景，如通过对硝基爆炸物蒸气检测，可以为反恐防爆提供有力技术支持；如采用气体传感器阵列的电子鼻探测器，可以实现易制毒化学品的现场快速检测，能检出并判定多种易制毒化学品，检测时间小于两分钟，适用于车站、边检口岸等场所的安检；如通过模仿蝴蝶翅膀鳞片中独特的纳米结构，以实现环境中的化学物质高灵敏光学探测。苯甲醛被广泛应用作有机合成前驱体，用于染料、制药、塑料添加剂等等，被美国环境保护局列为有毒物品。
气敏传感材料通常与电极构成欧姆接触，通过测量目标分析物分子吸附引起的电流变化实现对气体检测的目的。具有层状或花状微纳结构的氧化镍半导体气敏传感材料明显具有以下优势：其一，合成氧化镍的原料易得，成本低廉；其二，当氧化镍和苯甲醛发生化学反应时，氧化镍表面物理化学性质的变化可灵敏反应在电信号变化，电信号的输出直接通过半导体电阻值的变化得以简单实现；其三，具有层状或花状微纳结构的氧化镍气敏材料具有大的比表面积和孔洞，利于吸附氧和苯甲醛的有效扩散，也能提供更多的表面活化中心从而有利于提高响应强度。响应强度、选择性、响应时间、恢复时间和稳定性是气敏传感器的主要性能指标。若能兼有响应强度高，选择性好，响应时间快，恢复时间短，长期稳定性的气敏材料具有巨大的潜在应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备流程简单、有较强实用性的用于高灵敏高选择探测苯甲醛气体传感材料的制备方法，从而解决制备过程繁杂、气敏性能差或不稳定的问题。
一种用于高灵敏高选择探测苯甲醛气体传感材料的制备方法，其特征在于该制备方法包括以下步骤：
1）片状或花状氢氧化镍中间体的制备
将六水硝酸镍、硝酸铵和氢氧化钠溶于去离子水中剧烈搅拌25-35 min后在70-90 ℃静置20-24 h，然后抽滤，重新分散超声水洗三或四次后，60-80 ℃烘干即得片状氢氧化镍中间体；
将六水氯化镍、氯化铵和氢氧化钠溶于去离子水中剧烈搅拌25-35 min后在70-90 ℃静置20-24 h，然后抽滤，重新分散超声水洗三或四次后，60-80 ℃烘干即得自组装花状氢氧化镍中间体；
2）热处理
将上述片状或花状氢氧化镍中间体置于马弗炉或管式炉中，升温速率为9-10℃/min，高温设定为350-450℃，保持时间为2-3 h，气氛为空气或氮气，自然降温冷却后即得黑色氧化镍粉末。
所述六水硝酸镍、硝酸铵、氢氧化钠和去离子水的用量比为6-12 mmol：32-64mmol：11-22 mmol：160-320 mL。
所述六水氯化镍、氯化铵、氢氧化钠和去离子水的用量比为6-12 mmol：32-64mmol：11-22 mmol：160-320 mL。
所述去离子水的电导率< 0.5 mS/m。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、本发明制备的氧化镍气敏传感材料对苯甲醛的响应具有良好的选择性。
2、本发明制备的氧化镍气敏传感材料对苯甲醛具有较快的响应时间和较短恢复时间，均在40 s 内。
3、本发明制备的氧化镍气敏传感材料具有良好的稳定性，40天后响应值保持在95%以上。
4、本发明制备的氧化镍气敏传感材料流程简单，无需昂贵设备，原料易得，总体成本低廉。
附图说明
图1为实施例1热处理过程的热分析图（a）和实施例2热处理过程的热分析图（b）。
图2为实施例1所得氧化镍的扫描电镜（a）和透射电镜图（b）。
图3为实施例2所得氧化镍的扫描电镜（a）和透射电镜图（b）。
图4为实施例1（a）和实施例2（b）所得氧化镍基气敏材料对不同浓度苯甲醛的响应强度。
图5为实施例1（a）所得氧化镍的选择性测试结果和实施例2（b）所得氧化镍的选择性测试结果。
图6为实施例1（a）和实施例2（b）所得氧化镍对100 ppm苯甲醛的响应时间（τres）和恢复时间（τres）。
具体实施方式
实施例1
（1）原材料的选取：
实验反应体系拟设定在硝酸盐体系，如硝酸镍,硝酸铵，再加氢氧化钠的辅助作用。
（2）片状氢氧化镍中间体的形成：
将6mmol六水硝酸镍，32mmol硝酸铵和11mmol氢氧化钠溶于160mL去离子水，磁力剧烈搅拌30 min后，移入80 ℃的烘箱内静置21 h。由于该水热反应温度较低，无需专业的水热反应釜，原容器烧杯即可。待反应完毕后抽滤，重新分散超声水洗三次后，60 ℃条件下烘干即可得片状氢氧化镍中间体。
（3）热处理过程：
将通过（2）获得的制备有片层结构的氢氧化镍中间体置于马弗炉中，升温速率为10℃/min，高温设定为400℃，保持时间为2 h，气氛为空气，自然降温冷却后即可得黑色氧化镍粉末。图1（a）给出了该过程热分析图。图2所示为所得氧化镍的扫描电镜和透射电镜照片。
（4）气敏材料的器件化：
取0.03克（3）获得的黑色氧化镍粉末置于载玻片基底上，用3-4μl去离子水和上述粉末充分混和搅拌，形成具有一定黏度的浆料，然后旋涂在陶瓷管基底上，陶瓷管基底由郑州炜盛电子科技有限责任公司提供。然后将此气敏装置置于60℃烘箱内一周，测其气敏性能。图4（a）、图5（a）和图6（a）分别给出了本实施例所得氧化镍材料对不同浓度苯甲醛的响应强度、对苯甲醛的选择性和对100 ppm苯甲醛的响应时间和恢复时间。
实施例2
（1）原材料的选取：
实验反应体系拟设定在氯化物体系，如氯化镍,氯化铵，再加氢氧化钠的辅助作用。
（2）片状氢氧化镍中间体的形成：
将6mmol六水氯化镍，32mmol氯化铵和11mmol氢氧化钠溶于160mL去离子水，磁力剧烈搅拌35 min后，移入80 ℃的烘箱内静置21 h。由于该水热反应温度较低，原容器烧杯即可。待反应完毕后抽滤，重新分散超声水洗三次后，60 ℃条件下烘干即可得成花状氢氧化镍中间体。
（3）热处理过程：
将通过（2）获得的制备有花状结构的氢氧化镍中间体置于马弗炉中，升温速率为10℃/min，高温设定为400℃，保持时间为2 h，气氛为空气，自然降温冷却后即可得黑色氧化镍粉末。图1（b）给出了该过程热分析图。图3所示为所得氧化镍的扫描电镜和透射电镜照片。
（4）气敏材料的器件化：
取0.05克（3）获得的黑色氧化镍粉末置于载玻片基底上，用6μl去离子水和氧化镍粉末充分混和搅拌，形成具有一定黏度的浆料，然后旋涂在陶瓷管基底上，陶瓷管基底由郑州炜盛电子科技有限责任公司提供。然后将此气敏装置置于60℃烘箱内一周，测其气敏性能。图4（b）、图5（b）和图6（b）依次给出了本实施例所得氧化镍材料对不同浓度苯甲醛的响应强度、对苯甲醛的选择性和对100 ppm苯甲醛的响应时间和恢复时间。
实施例3
（1）原材料的选取：
实验反应体系拟设定在氯化物体系，如氯化镍,氯化铵，再加氢氧化钠的辅助作用。
（2）片状氢氧化镍中间体的形成：
将12mmol六水氯化镍，64mmol氯化铵和22mmol氢氧化钠溶于320mL去离子水，磁力剧烈搅拌35 min后，移入80 ℃的烘箱内静置23 h。由于该水热反应温度较低，原容器烧杯即可。待反应完毕后抽滤，重新分散超声水洗三次后，60 ℃条件下烘干即可得成花状氢氧化镍中间体。
（3）热处理过程：
将通过（2）获得的制备有花状结构的氢氧化镍中间体置于管式炉中，升温速率为10℃/min，高温设定为450℃，保持时间为2 h，气氛为氮气，自然降温冷却后即可得黑色氧化镍粉末。
（4）气敏材料的器件化：
取0.04克（3）获得的黑色氧化镍粉末置于载玻片基底上，用5μl去离子水和氧化镍粉末充分混和搅拌，形成具有一定黏度的浆料，然后旋涂在陶瓷管基底上，陶瓷管基底由郑州炜盛电子科技有限责任公司提供。然后将此气敏装置置于60℃烘箱内一周，测其气敏性能，亦表现出良好的对苯甲醛的响应选择性和较快的响应和恢复时间。

Claims (4)

1.一种用于高灵敏高选择探测苯甲醛气体传感材料的制备方法，其特征在于该制备方法包括以下步骤：
1）片状或花状氢氧化镍中间体的制备
将六水硝酸镍、硝酸铵和氢氧化钠溶于去离子水中剧烈搅拌25-35 min后在70-90 ℃静置20-24 h，然后抽滤，重新分散超声水洗三或四次后，60-80 ℃烘干即得片状氢氧化镍中间体；
将六水氯化镍、氯化铵和氢氧化钠溶于去离子水中剧烈搅拌25-35 min后在70-90 ℃静置20-24 h，然后抽滤，重新分散超声水洗三或四次后，60-80 ℃烘干即得自组装花状氢氧化镍中间体；
2）热处理
将上述片状或花状氢氧化镍中间体置于马弗炉或管式炉中，升温速率为9-10℃/min，高温设定为350-450℃，保持时间为2-3 h，气氛为空气或氮气，自然降温冷却后即得黑色氧化镍粉末。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述六水硝酸镍、硝酸铵、氢氧化钠和去离子水的用量比为6-12 mmol：32-64 mmol：11-22 mmol：160-320 mL。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述六水氯化镍、氯化铵、氢氧化钠和去离子水的用量比为6-12 mmol：32-64 mmol：11-22 mmol：160-320 mL。
4.如权利要求1、2或3所述的制备方法，其特征在于所述去离子水的电导率< 0.5 mS/m。
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