CN105967235A - 一种石墨烯-钼酸铋钠纳米复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种石墨烯-钼酸铋钠纳米复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯‑钼酸铋钠纳米复合材料及其制备方法，其制备方法如下：先以石墨烯、硝酸铋、乙二醇为原料溶剂热反应合成石墨烯‑乙二醇铋复合物，再将石墨烯‑乙二醇铋复合物超声波震荡均匀分散在钼酸钠水溶液中，然后水热反应得到石墨烯‑钼酸铋钠纳米复合材料。本发明制备石墨烯‑钼酸铋钠纳米复合材料方法简单，反应条件温和、能耗小，所得材料为纳米级复合材料，具有很高的气敏性能，可用作乙醇、丙醇、丁醇等醇类气敏材料。

Description

一种石墨烯-钼酸铋钠纳米复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于纳米新材料技术领域，具体涉及一种石墨烯-钼酸铋钠纳米复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
纳米钼酸铋钠(NaBi(MoO4)2)是一种具有多种优异性质和重要应用的纳米半导体新材料。其能带宽度3.1eV，化学稳定性较好，导电率较低。纳米钼酸铋钠目前主要用作光催材料，荧光材料和气敏传感器敏感材料。由于钼酸铋钠材料自身的导电率低，以其为敏感材料制作的气敏元件电阻大，测定误差大，降低材料电阻对改进其传感器性能的具有重要作用。钼酸铋钠气敏材料与传统的SnO2，ZnO等二元金属氧化物不同，其气敏特性源自于纳米晶表面晶格氧，而非表面吸附氧，因而具有显著的气敏选择性，它只对能在晶格表面有效吸附并发生催化反应的气体分子才产生气敏响应，因此新型钼酸铋钠纳米材料具有很好的选择性气敏，它通常对醇类分子，如乙醇，丙醇、丁醇具有较好的气敏特性，而对丙酮不敏感，可用于农作物发酵过程中乙醇的专项检测。
采用掺杂复合的方法改善材料的导电性，是气敏材料性能提高的主要方法之一。石墨烯化学性质稳定，导电率高，片状结构与钼酸铋钠纳米晶片相似，可以其掺杂钼酸铋钠制备石墨烯-钼酸铋钠纳米复合材料获得高性能的气敏材料。目前纳米钼酸铋钠材料的研究刚刚兴趣，其制备方法主要是水热法，水热法具有反应条件温和，易于控制等优点，利用水热法也可以制备纳米复合材料。因此开发一种制备方法简单，导电率较好的纳米复合材料代替高电阻的纳米钼酸铋钠材料用作醇类选择性气敏材料具有明显的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单的石墨烯-钼酸铋钠纳米复合材料及其制备方法，为新型选择性气敏半导体材料的发展提供一种电学性能更优异的材料。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种石墨烯-钼酸铋钠复合材料的制备方法，以石墨烯、硝酸铋、乙二醇为原料溶剂热反应合成石墨烯-乙二醇铋复合物，再将石墨烯-乙二醇铋复合物均匀分散在钼酸钠水溶液中，然后加入浓硝酸或浓盐酸调节pH值，最后混合物一起水热反应得到石墨烯-钼酸铋钠纳米复合材料。
按上述方案，所述石墨烯质量为硝酸铋质量的0.2-5％。
按上述方案，所述硝酸铋在乙二醇中的浓度为10-100g/L。
按上述方案，所述溶剂热反应条件为：加热至150-180℃保温反应2-24小时。
按上述方案，所述石墨烯-乙二醇铋复合物与钼酸钠的质量比为1：(1.5-1.7)。
按上述方案，所述钼酸钠水溶液的浓度为20-100g/L。
按上述方案，所述水热反应条件为：加热至150-200℃保温反应1-24小时。
按上述方案，调节pH值为0-2。
上述任意制备方法所得的石墨烯-钼酸铋钠复合材料。
所述的石墨烯-钼酸铋钠复合材料作为气敏材料的应用。
本发明的有益效果为：本发明以石墨烯、硝酸铋、乙二醇和钼酸钠为主要原料，采用溶剂热和水热反应制备石墨烯-钼酸铋钠纳米复合材料，涉及的制备工艺设备简单、温度低、能耗小，工艺简单，所得纳米复合材料产品导电率比相应的单一钼酸铋钠材料高一个数量级，以其制作的气敏元件电阻变化易于检测，传感器电路设计简单，通用性好。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。
以下实施例如无具体说明，采用的试剂为市售化学试剂或工业产品。
实施例1
一种石墨烯-钼酸铋钠纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将100g硝酸铋溶于1L乙二醇中，然后加入0.2g石墨烯粉搅拌混合均匀，得到稳定悬浊液，将此溶液转移到容积为2L的高压釜中，加热至150℃并保温24小时；待反应釜冷却至室温，过滤并用乙醇洗涤3次，然后在80℃下干燥12小时，得石墨烯-乙二醇铋粉体；
2)取75g钼酸钠溶于750ml去离子水中，再将1)中制备石墨烯-乙二醇铋粉末50g加入上述钼酸钠水溶液中，超声波震荡搅拌使其分散均匀，用浓硝酸和浓盐酸调节溶液pH值至0-2之间，然后将所得混合液转移至容积为1000mL的高压釜中，升温至200℃保温1小时，待反应釜冷却至室温，过滤后用去离子水和乙醇洗涤2次，再在100℃下干燥12小时，得石墨烯-钼酸铋钠纳米复合材料。
将所得的石墨烯-钼酸铋钠纳米复合材料用无水乙醇调制成糊状，然后将其均匀涂覆到陶瓷管电极表面，自然风干后，向陶瓷管中穿入Ni-Cr加热丝，并焊接到胶木基座上，即可制得旁热式气敏元件。将制备的气敏器件运用郑州炜盛电子科技有限公司生产的气敏元件测试系统WS-30A仪器进行气敏性能测试，所采用的测试方法为静态配气法。当工作温度为250℃时，该气敏元件空气中电阻为0.1-5兆欧，对浓度为10ppm的乙醇的灵敏度高达5，对100ppm的乙醇的灵敏度达40，1气敏响应恢复时间均小于30s，即该气敏材料对乙醇表现出非常好的气敏性能。
实施例2
一种石墨烯-钼酸铋钠纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将50g硝酸铋溶于1L乙二醇中，然后加入2.5g石墨烯粉搅拌混合均匀，得到稳定悬浊液，将此溶液转移到容积为2L的高压釜中，加热至180℃并保温2小时；待反应釜冷却至室温，过滤并用乙醇洗涤3次，然后在80℃下干燥6小时，得石墨烯-乙二醇铋粉体；
2)取17g钼酸钠溶于200ml去离子水中，再将1)中制备石墨烯-乙二醇铋粉末10g加入上述钼酸钠水溶液中，超声波震荡搅拌使其分散均匀，用浓硝酸和浓盐酸调节溶液pH值至0-2之间，然后将所得混合液转移至容积为300ml的高压釜中，升温至150℃保温24小时，待反应釜冷却至室温，过滤后用去离子水和乙醇洗涤5次，再在110℃下干燥4小时，得石墨烯-钼酸铋钠纳米复合材料。
将所得的石墨烯-钼酸铋钠纳米复合材料用无水乙醇调制成糊状，然后将其均匀涂覆到陶瓷管电极表面，自然风干后，向陶瓷管中穿入Ni-Cr加热丝，并焊接到胶木基座上，即可制得旁热式气敏元件。将制备的气敏器件运用郑州炜盛电子科技有限公司生产的气敏元件测试系统WS-30A仪器进行气敏性能测试，所采用的测试方法为静态配气法。当工作温度为250℃时，该气敏元件空气中电阻为0.1-5兆欧，对浓度为10ppm的乙醇的灵敏度高达5，对100ppm的乙醇的灵敏度达45，1气敏响应恢复时间均小于30s，即该气敏材料对乙醇表现出非常好的气敏性能。
实施例3
一种石墨烯-钼酸铋钠纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将10g硝酸铋溶于1L乙二醇中，然后加入0.2g石墨烯粉搅拌混合均匀，得到稳定悬浊液，将此溶液转移到容积为2L的高压釜中，加热至170℃并保温6小时；待反应釜冷却至室温，过滤并用乙醇洗涤3次，然后在80℃下干燥6小时，得石墨烯-乙二醇铋粉体；
2)取8g钼酸钠400ml去离子水中，再将1)中制备石墨烯-乙二醇铋粉末5g加入上述钼酸钠水溶液中，超声波震荡搅拌使其分散均匀，用浓硝酸和浓盐酸调节溶液pH值至0-2之间，然后将所得混合液转移至容积为500ml的高压釜中，升温至180℃保温4小时，待反应釜冷却至室温，过滤后用去离子水和乙醇洗涤3次，再在110℃下干燥4小时，得石墨烯-钼酸铋钠纳米复合材料。
将所得的石墨烯-钼酸铋钠纳米复合材料用无水乙醇调制成糊状，然后将其均匀涂覆到陶瓷管电极表面，自然风干后，向陶瓷管中穿入Ni-Cr加热丝，并焊接到胶木基座上，即可制得旁热式气敏元件。将制备的气敏器件运用郑州炜盛电子科技有限公司生产的气敏元件测试系统WS-30A仪器进行气敏性能测试，所采用的测试方法为静态配气法。当工作温度为250℃时，该气敏元件空气中电阻为0.1-5兆欧，对浓度为10ppm的乙醇的灵敏度达到6，对100ppm的乙醇的灵敏度达40，1气敏响应恢复时间均小于30s，即该气敏材料对乙醇表现出非常好的气敏性能。
实施例4
一种石墨烯-钼酸铋钠纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将10g硝酸铋溶于200ml乙二醇中，然后加入0.1g石墨烯粉搅拌混合均匀，得到稳定悬浊液，将此溶液转移到容积为300mL的高压釜中，加热至170℃并保温6小时；待反应釜冷却至室温，过滤并用乙醇洗涤3次，然后在80℃下干燥6小时，得石墨烯-乙二醇铋粉体；
2)取8.5g钼酸钠溶于100ml去离子水中，再将1)中制备石墨烯-乙二醇铋粉末5g加入上述钼酸钠水溶液中，超声波震荡搅拌使其分散均匀，用浓硝酸和浓盐酸调节溶液pH值至0-2之间，然后将所得混合液转移至容积为200ml的高压釜中，升温至180℃保温4小时，待反应釜冷却至室温，过滤后用去离子水和乙醇洗涤3次，再在110℃下干燥4小时，得石墨烯-钼酸铋钠纳米复合材料。
将所得的石墨烯-钼酸铋钠纳米复合材料用无水乙醇调制成糊状，然后将其均匀涂覆到陶瓷管电极表面，自然风干后，向陶瓷管中穿入Ni-Cr加热丝，并焊接到胶木基座上，即可制得旁热式气敏元件。将制备的气敏器件运用郑州炜盛电子科技有限公司生产的气敏元件测试系统WS-30A仪器进行气敏性能测试，所采用的测试方法为静态配气法。当工作温度为250℃时，该气敏元件空气中电阻为0.1-5兆欧，对浓度为10ppm的乙醇的灵敏度高达8，对100ppm的乙醇的灵敏度达50，1气敏响应恢复时间均小于30s，即该气敏材料对乙醇表现出非常好的气敏性能。

Claims (10)

1.一种石墨烯-钼酸铋钠复合材料的制备方法，以石墨烯、硝酸铋、乙二醇为原料溶剂热反应合成石墨烯-乙二醇铋复合物，再将石墨烯-乙二醇铋复合物均匀分散在钼酸钠水溶液中，然后加入浓硝酸或浓盐酸调节pH值，最后混合物一起水热反应得到石墨烯-钼酸铋钠纳米复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯质量为硝酸铋质量的0.2-5％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硝酸铋在乙二醇中的浓度为10-100g/L。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述溶剂热反应条件为：加热至150-180℃保温反应2-24小时。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯-乙二醇铋复合物与钼酸钠的质量比为1：(1.5-1.7)。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钼酸钠水溶液的浓度为20-100g/L。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述水热反应条件为：加热至150-200℃保温反应1-24小时。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，调节pH值为0-2。
9.权利要求1-8任意制备方法所得的石墨烯-钼酸铋钠复合材料。
10.权利要求9所述的石墨烯-钼酸铋钠复合材料作为气敏材料的应用。
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