CN106248744A - 一种用于甲醛选择性吸附的微孔中空氧化镍气敏传感器件及制备和应用 - Google Patents

一种用于甲醛选择性吸附的微孔中空氧化镍气敏传感器件及制备和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于甲醛选择性吸附的微孔中空氧化镍气敏传感器件及制备和应用，氧化镍微孔空心球利用模板法和水热法制备，该方法利用有机做模板，利用镍盐做前驱体，水热条件下尿素提供OH~，通过调控前驱体的浓度、比例、反应温度等条件，制备微孔空心球的氧化镍。本发明的优点在于：水热法制备方法简单，反应温度低，无需复杂的后续处理条件即可获得氧化镍微孔空心球，该发明制备的氧化镍可用于空气中甲醛气体的选择性检测。

Description

一种用于甲醛选择性吸附的微孔中空氧化镍气敏传感器件及 制备和应用
技术领域
本发明涉及一种气敏传感器件及其制作方法。
背景技术
氧化镍空心球由于具有可调的孔道结构、高比表面积和较强的离子交换性能，有利于反应物在催化过程中在活性位进行反应，对乙醇、丙酮、甲醛等气体的探测方面显示了极大地应用前景，然而较早的研究在工作温度、检测限、抗干扰性方面都不如人意。多孔中空球结构与其它纳米结构相比，在相同体积下具有更大的比表面积和更多的扩散通道，从而拥有更高的敏感性和快速响应能力。另外，从分子筛和多孔膜的研究经验表明，当孔的直径处于某一范围时，可以对气体分子起到动力学筛分的作用，运动直径大的分子通过率要比小分子通过率要低。甲醛的动力学直径为0.243nm，较其它干扰气体如甲醇(0.36)、乙醇(0.45)、丙酮（0.469）、苯（0.585）等要小得多。理论上当孔径在0.24和0.36nm之间时将只允许甲醛分子通过从而实现100%的选择率，但制备难度很高，而且也非必要，控制在0.5~0.6nm（1nm以下微孔级别）即能对室内空气分子进行有效筛分。就我们所知目前还没有合成NiO多孔中空球结构的报导。
本发明提出了一种可以对甲醛具有选择性吸附的NiO传感器，利用空气中甲醛气体尺寸低于其他干扰气体的尺寸的特点，通过对NiO空心球体表面气孔尺寸的控制，对室内空气进行有效的筛分的新思路，为市场提供一种优质并具有气体选择性的气敏传感器材料及器件。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种简单可行的具有选择吸附功能的气敏传感器材料及器件及制备和应用，该方法制备工艺简单，通过提高材料比表面积和表面活性空位提高了响应效率，降低了响应温度，使半导体材料在气敏传感器方面的应用更简单。
本发明的方法是利用模板法和水热法合成NiO微孔空心球，通过微孔尺寸的调节，使其具有更高的选择性；调节空心球的尺寸获得高比表面积，进而调控其表面活性空位，提高气体响应率，器件制备方面，将气敏材料涂敷在陶瓷管表面，制备工艺简单，重复性好。
一种用于甲醛选择性吸附的微孔中空氧化镍气敏传感器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将模板溶于有机溶剂中，完全溶解后加入镍前驱体和沉淀剂尿素；然后在室温下至少搅拌2小时得到前驱体溶液；
（2）将前驱体溶液置于反应釜中，于100℃至200℃反应12小时至24小时；
（3）待反应釜温度降至室温，将绿色悬浮液用酒精和水分别洗涤3-5次，在80℃的烘箱干燥24小时后，放入马弗炉300-600℃烧4-6小时，得到微孔中空的氧化镍球，将微孔空心球置于酒精或水中待用；
（4）氧化铝陶瓷管用去离子水、丙酮、氯仿清洗干净，烘干备用；
（5）将氧化镍微孔空心球的悬浮液均匀涂抹在步骤（4）的氧化铝陶瓷管上，将陶瓷管进行封装；
（6）在200℃-300℃下电老化5-10天，制成气敏传感器件。
在步骤（1）中所说的模板为十六烷基三甲基溴化铵(CATB)或柠檬酸或氨基酸。
在步骤（1）中所说的有机溶剂为无水乙醇、正丁醇的一种。
在步骤（1）中所说的镍前驱体为硫酸镍、氯化镍、六水合硝酸镍或草酸镍的一种。
在步骤（2）中所说的镍前驱体、有机物模板和有机溶剂的重量比为0.2-0.6:0.1-0.5:2-7。
在步骤（1）中所说的尿素用氨水或氢氧化钠代替。
在步骤（4）中所说的洗涤方法为在6000-10000转/分钟转速下离心或抽滤方法。
在步骤（6）中所说的老化氛围为空气。
一种用于甲醛选择性吸附的微孔中空氧化镍气敏传感器件，其特征在于，根据上述任一所述方法制备得到。
一种用于甲醛选择性吸附的微孔中空氧化镍气敏传感器件在甲醛气体测试中的应用。
本发明的用于甲醛选择性吸附的微孔中空氧化镍气敏传感器件及其制备方法，包括如下步骤：
（1）将模板（如十六烷基三甲基溴化铵(CATB)，柠檬酸，氨基酸）溶于有机溶剂（无水乙醇、正丁醇的一种）中，完全溶解后加入镍前驱体（如硫酸镍、氯化镍、六水合硝酸镍或草酸镍）和沉淀剂尿素；然后在室温下至少搅拌1小时得到前驱体溶液；镍前驱体、有机物模板和有机溶剂的重量比为0.2~0.6:0.1~0.5:2~7；
（2）将前驱体溶液置于反应釜中，于80℃至200℃反应12小时至24小时；
（3）待反应釜温度降至室温，将绿色悬浮液用酒精和水分别离心洗涤3~5次，离心速度6000~10000rpm，在80℃的烘箱干燥24小时后，放入马弗炉300~600℃烧4~6小时，得到微孔中空的氧化镍球，将微孔空心球置于酒精或水中待用；
4）氧化铝陶瓷管用去离子水、丙酮、氯仿清洗干净，烘干备用；
5）将氧化镍微孔空心球的悬浮液均匀涂抹在步骤4的氧化铝陶瓷管上，将陶瓷管进行封装；
6）在200℃~300℃下电老化5~10天，制成气敏传感器件。
本发明的优点在于：利用微孔尺寸调节，可选择性吸附气体，提高测试的抗干扰能力；比表面积大的中空属氧化物球，可大大增加材料表面的活性空位。充分利用这两种优点，提高气敏传感器的响应率和响应时间。本发明气敏传感器件制作简单、性能稳定、灵敏度高，在工作温度下对甲醛有很高的灵敏性，可用于甲醛气体的检测。
附图说明
图1为本发明的微孔中空氧化镍SEM图。
图2为本发明的氧化镍对不同气体的响应曲线。
具体实施方式
实施例1：称取1 g的十六烷基三甲基溴化铵(CATB)；溶于25 ml的无水乙醇中；加入2 g的硫酸镍和0.8g的尿素，室温下搅拌2小时得到镍前驱体溶液；将镍前驱体溶液置于反应釜中，于100℃反应24小时；待反应釜温度降至室温，将绿色悬浮液用酒精和水分别洗涤3~5次；在80℃的烘箱干燥24小时后，放入马弗炉300℃烧6小时，得到微孔中空的氧化镍球，空心球直径在1~2微米之间（图1），将微孔空心球置于酒精或水中待用；氧化铝陶瓷管用去离子水、丙酮、氯仿清洗干净，烘干，将NiO糊状物均匀涂敷在陶瓷管表面，焊接电极、封装，在200℃老化10天，得到气敏传感器。采用WS~30A型气敏元件测试系统测试100ppm浓度不同气体的响应，对甲醛气体具有明显的响应，如图2所示。
实施例2：称取1 g的柠檬酸；溶于25 ml的无水乙醇中；加入2 g的氯化镍和0.8g的尿素，室温下搅拌2小时得到镍前驱体溶液；将镍前驱体溶液置于反应釜中，于200℃反应12小时；待反应釜温度降至室温，将绿色悬浮液用酒精和水分别洗涤3~5次；在80℃的烘箱干燥24小时后，放入马弗炉600℃烧4小时，得到微孔中空的氧化镍球，空心球直径在2~2.5微米之间，将微孔空心球置于酒精或水中待用；氧化铝陶瓷管用去离子水、丙酮、氯仿清洗干净，烘干，将NiO糊状物均匀涂敷在陶瓷管表面，焊接电极、封装，在300℃老化5天，得到气敏传感器。采用WS~30A型气敏元件测试系统测试1ppm浓度不同气体的响应，对甲醛气体具有明显的响应，灵敏度达到8.0。
实施例3：称取1 g氨基酸；溶于25 ml的正丁醇中；加入2 g的草酸镍和0.8g的氢氧化钠，室温下搅拌2小时得到镍前驱体溶液；将镍前驱体溶液置于反应釜中，于150℃反应18小时；待反应釜温度降至室温，将绿色悬浮液用酒精和水分别洗涤3~5次；在80℃的烘箱干燥24小时后，放入马弗炉500℃烧5小时，得到微孔中空的氧化镍球，空心球直径在2~2.5微米之间，将微孔空心球置于酒精或水中待用；氧化铝陶瓷管用去离子水、丙酮、氯仿清洗干净，烘干，将NiO糊状物均匀涂敷在陶瓷管表面，焊接电极、封装，在250℃老化7天，得到气敏传感器。采用WS~30A型气敏元件测试系统测试1ppm浓度不同气体的响应，对甲醛气体具有明显的响应，灵敏度达到8.3。
实施例4：称取2 g的十六烷基三甲基溴化铵(CATB)；溶于30 ml的无水乙醇中；加入2.4 g的硝酸镍和1.2g的尿素，室温下搅拌2小时得到镍前驱体溶液；将镍前驱体溶液置于反应釜中，于100℃反应24小时；待反应釜温度降至室温，将绿色悬浮液用酒精和水分别洗涤3~5次；在80℃的烘箱干燥24小时后，放入马弗炉300℃烧6小时，得到微孔中空的氧化镍球，空心球直径在1.5~2微米之间，将微孔空心球置于酒精或水中待用；氧化铝陶瓷管用去离子水、丙酮、氯仿清洗干净，烘干，将NiO糊状物均匀涂敷在陶瓷管表面，焊接电极、封装，在300℃老化6天，得到气敏传感器。采用WS~30A型气敏元件测试系统测试1ppm浓度不同气体的响应，对甲醛气体具有明显的响应，灵敏度达到10.1。

Claims (10)

1.一种用于甲醛选择性吸附的微孔中空氧化镍气敏传感器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将模板溶于有机溶剂中，完全溶解后加入镍前驱体和沉淀剂尿素；然后在室温下至少搅拌2小时得到前驱体溶液；
（2）将前驱体溶液置于反应釜中，于100℃至200℃反应12小时至24小时；
（3）待反应釜温度降至室温，将绿色悬浮液用酒精和水分别洗涤3-5次，在80℃的烘箱干燥24小时后，放入马弗炉300-600℃烧4-6小时，得到微孔中空的氧化镍球，将微孔空心球置于酒精或水中待用；
（4）氧化铝陶瓷管用去离子水、丙酮、氯仿清洗干净，烘干备用；
（5）将氧化镍微孔空心球的悬浮液均匀涂抹在步骤（4）的氧化铝陶瓷管上，将陶瓷管进行封装；
（6）在200℃-300℃下电老化5-10天，制成气敏传感器件。
2.根据权利要求1所述的一种用于甲醛选择性吸附的微孔中空氧化镍气敏传感器件的制备方法，其特征在于：在步骤（1）中所说的模板为十六烷基三甲基溴化铵(CATB)或柠檬酸或氨基酸。
3.根据权利要求1所述的一种用于甲醛选择性吸附的微孔中空氧化镍气敏传感器件的制备方法，其特征在于：在步骤（1）中所说的有机溶剂为无水乙醇、正丁醇的一种。
4. 根据权利要求1所述的一种用于甲醛选择性吸附的微孔中空氧化镍气敏传感器件的制备方法，其特征在于： 在步骤（1）中所说的镍前驱体为硫酸镍、氯化镍、六水合硝酸镍或草酸镍的一种。
5.根据权利要求1所述的一种用于甲醛选择性吸附的微孔中空氧化镍气敏传感器件的制备方法，其特征在于：在步骤（2）中所说的镍前驱体、有机物模板和有机溶剂的重量比为0.2-0.6:0.1-0.5:2-7。
6.根据权利要求1所述的一种用于甲醛选择性吸附的微孔中空氧化镍气敏传感器件的制备方法，其特征在于：在步骤（1）中所说的尿素用氨水或氢氧化钠代替。
7.根据权利要求1所述的一种用于甲醛选择性吸附的微孔中空氧化镍气敏传感器件的制备方法，其特征在于：在步骤（4）中所说的洗涤方法为在6000-10000转/分钟转速下离心或抽滤方法。
8.根据权利要求1所述的一种用于甲醛选择性吸附的微孔中空氧化镍气敏传感器件的制备方法，其特征在于：在步骤（6）中所说的老化氛围为空气。
9.一种用于甲醛选择性吸附的微孔中空氧化镍气敏传感器件，其特征在于，根据上述任一权利要求所述方法制备得到。
10.根据权利要求9所述一种用于甲醛选择性吸附的微孔中空氧化镍气敏传感器件在甲醛气体测试中的应用。
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