CN107445196A - 一种层状Sn3O4/SnO2异质结方片型气敏材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种层状Sn3O4/SnO2异质结方片型气敏材料的制备方法。该制备方法以SnCl2▪2H2O和NaOH为主要原料,以水杨酸为形貌调控剂,以乙醇和高纯水为溶剂,利用水热合成法制备层状Sn3O4方片型材料,再通过控制烧结条件制备层状Sn3O4/ SnO2异质结方片型气敏材料。与现有工艺相比,本发明方成方法简单,反应条件温和,生产成本低,比表面积大,在气体传感器、电池、催化剂及光催化方面具有潜在用途。
Description
技术领域
本发明属于纳米气敏材料制备领域,具体涉及一种层状Sn3O4/ SnO2异质结方片型气敏材料的制备方法。
背景技术
锡的氧化物有很多种,其中单价氧化物只有二价态的SnO和四价态的SnO2,混合价态的锡的氧化物有很多,我们主要用到的是Sn3O4。SnO是一种典型的P型半导体材料,能带宽度为2.7-3.2eV,被广泛应用在气体传感器和锂离子电池正极材料中。SnO2作为一种宽禁带(3.6eV)的n型半导体氧化物,具有耐热性、耐烛性、材料成本低及对多种气体都有良好响应等优点,是最常用的气敏材料,常见的晶体为金红石结构,具有四方晶系对称性。Sn3O4是一种锡的混合价态的氧化物,锡元素既有正4价又有正2价,Sn3O4是一种n型半导体材料,能带宽度比SnO2窄为2.76eV,具有良好的光电、光催化和气敏特性,在锂离子电池,传感器,光电催化方面有很好的应用。
Sn3O4现主要用于光催化反应,目前Sn3O4合成方法主要是水热法,其他还有碳还原法等。合成的形貌也是多种多样,有颗粒状、花状、盘状、片状、空心球体等,但是层状Sn3O4材料合成目前还比较少,文献报道的只有Sungkyunkwan University的Kale, BB和Adhyapak,PV用水热方法合成的颗粒状Sn3O4材料,该材料在TEM下观察,为层状结构,文献主要研究了该种材料的光催化作用,以及在还原硫化氢制氢气中的应用,但该方法制备的层状Sn3O4材料制备方法复杂,且为大颗粒状,分散性不佳。Sao Paulo State Univ UNESP的Suman, PH用碳还原的方法制备了带状Sn3O4材料,该材料为层状,主要通过碳还原SnO2制备Sn3O4材料,该文献还研究了该Sn3O4材料对氧气的气敏响应,该方法制备的层状Sn3O4材料,制备过程中能耗多,且其制备的传感器温度为300℃,长期工作的情况下也会消耗很多的能量,不利于节能减排。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种层状Sn3O4/ SnO2异质结方片型气敏材料的制备方法,该方法合成条件温和,能耗低,简单的液相合成技术得到方片状气敏材料均一性好,比表面积大,气敏性能好,制作过程重复性强。
为解决现有技术问题,本发明采取的技术方案为:
一种层状Sn3O4/ SnO2异质结方片型气敏材料的制备方法,以SnCl2▪2H2O和NaOH为主要原料,以水杨酸为形貌调控剂,以乙醇和高纯水为溶剂,利用水热合成法制备层状Sn3O4方片型材料,再通过控制烧结条件制备层状Sn3O4/ SnO2异质结方片型气敏材料。
作为改进的是,上述方法具体包括以下步骤:步骤1,将高纯水和乙醇混合后,加入0.1-0.7g水杨酸搅拌至完全溶解,再加入1-15mlNaOH溶液得第一混合液备用;步骤2,将0.17-0.85g SnCl2·H2O溶解在10-30ml高纯水中得氯化锡溶液;步骤3,将氯化锡溶液滴入第一混合液中,搅拌20-60min后,转入聚四氟乙烯水热反应釜中,120-240℃下反应4-24h后,冷却得浅黄色沉淀;步骤4,将浅黄色沉淀依次用高纯水和无水乙醇在6000-10000rpm的转速下离心洗涤2-8次得粗品;步骤5,将粗品在40-80℃下干燥2-8小时得层状Sn3O4方片型材料;步骤6,将Sn3O4方片型材料置于管式炉中,400-600℃下烧结1-4小时即得层状Sn3O4/SnO2异质结方片型气敏材料。
作为改进的是,步骤1和步骤2中高纯水的电阻值为18.2MΩ。
作为改进的是,步骤4中离心洗涤的转速为8000rpm。
作为改进的是,步骤1中NaOH溶液的浓度为1mol/L,所述高纯水和乙醇的体积比为1:1。
作为改进的是,步骤5中干燥温度为60℃,干燥时长为6小时。
作为改进的是,步骤6中管式炉的烧结温度为500℃,烧结时间为2h,升温和降温速率均为5℃/min。
有益效果
本发明与现有工艺相比,合成方法简单,反应条件温和,生产成本低,比表面积为25.65m2/g,该材料制备的传感器在测试温度240℃时,对乙醇的气敏响应为146,且有很好的气敏选择性。该材料在气体传感器、电池、催化剂及光催化方面具有潜在用途。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的层状Sn3O4方片型材料XRD图谱;
图2为本发明实施例1制备的层状Sn3O4方片型材料SEM图谱;
图3为本发明实施例1制备的层状Sn3O4/ SnO2异质结方片型气敏材料XRD图谱;
图4为本发明实施例1制备的层状Sn3O4/ SnO2异质结方片型气敏材料SEM图谱;
图5为本发明实施例1制备的层状Sn3O4/ SnO2异质结方片型气敏材料TEM图谱;
图6为本发明实施例2制备的气敏传感器测试100ppm乙醇气体在工作温度为240℃时的灵敏度与加热电压的关系图;
图7为实施例2制备的气敏传感器的灵敏度随气体浓度的关系图。
具体实施方式
实施例1
一种层状Sn3O4/ SnO2异质结方片型气敏材料的制备方法,包括以下步骤:
步骤1,将高纯水和乙醇混合后,加入0.276g水杨酸搅拌至完全溶解,再加入7mlNaOH溶液得第一混合液备用;
步骤2,将0.339g SnCl2 H2O溶解在10ml高纯水中得氯化锡溶液;
步骤3,将氯化锡溶液滴入第一混合液中,搅拌30分钟后,转入40ml聚四氟乙烯水热反应釜中,150℃下反应16小时后,冷却得浅黄色沉淀;
步骤4,将浅黄色沉淀依次用高纯水和无水乙醇在8000rpm的转速下离心洗涤6次得粗品;
步骤5,将粗品在60℃下干燥4小时得层状Sn3O4方片型材料;
步骤6,将Sn3O4方片型材料置于管式炉中,500℃下烧结2小时即得层状Sn3O4/ SnO2异质结方片型气敏材料。
其中,步骤1和步骤2中高纯水的电阻值为18.2 MΩ;NaOH溶液的浓度为1mol/L,所述高纯水和乙醇的体积比为1:1。
对步骤5所得层状Sn3O4方片型材料进行表征,结果如图1和图2所示,分别为层状Sn3O4方片型材料进行XRD图谱,层状Sn3O4方片型材料进行SEM图谱。
对步骤6制备的层状Sn3O4/ SnO2异质结方片型气敏材料进行表征,结果如图3-5所示,其中,图3为层状Sn3O4/ SnO2异质结方片型气敏材料进行XRD图谱;图4为层状Sn3O4/SnO2异质结方片型气敏材料进行SEM图谱;图5为层状Sn3O4/SnO2异质结方片型气敏材料进行TEM图谱。
实施例2
用实施例1制备的层状Sn3O4/ SnO2异质结方片型气敏材料和高纯水混合成糊状,并涂布在三氧化铝/Au电极上,待晾干后,置于管式炉中,在500℃下烧结2小时最后将制备的电极焊接在电极底座上,得基于层状Sn3O4/ SnO2异质结方片型材料的乙醇气敏传感器。
对比例1
用实施例1制备的层状Sn3O4方片型材料置于管式炉中,700℃下烧结2小时即得SnO2方片型气敏材料,再与高纯水混成糊状,并涂布在三氧化铝/Au电极上,待晾干后,置于管式炉中,分别在500℃下烧结2小时最后将制备的电极焊接在电极底座上,得基于SnO2方片型材料的乙醇气敏传感器。
对实施例2和对比例1的气敏传感器进行性能测试。图6为其最佳工作温度测试,测试气体为100ppm乙醇气体,Sn3O4/ SnO2异质结方片材料气体传感器的最佳工作温度为240℃(加热电压为4v),灵敏度为146;SnO2方片材料气体传感器的最佳工作温度为240℃(加热电压为4v),灵敏度为12.5。图7为上述两种气敏传感器气敏的灵敏度随着气体浓度变化图,从图中可以看出,层状Sn3O4/ SnO2异质结方片型气敏材料制备的气敏传感器灵敏度更高。
Claims (7)
1.一种层状Sn3O4/ SnO2异质结方片型气敏材料的制备方法,其特征在于,以SnCl2▪2H2O和NaOH为主要原料,以水杨酸为形貌调控剂,以乙醇和高纯水为溶剂,利用水热合成法制备层状Sn3O4方片型材料,再通过控制烧结条件制备层状Sn3O4/ SnO2异质结方片型气敏材料。
2.根据要求1所述的一种层状Sn3O4/ SnO2异质结方片型气敏材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1,将高纯水和乙醇混合后,加入0.1-0.7g水杨酸搅拌至完全溶解,再加入1-15mlNaOH溶液得第一混合液备用;步骤2,将0.17-0.85g SnCl2·H2O溶解在10-30ml高纯水中得氯化锡溶液;步骤3,将氯化锡溶液滴入第一混合液中,搅拌20-60min后,转入聚四氟乙烯水热反应釜中,120-240℃下反应4-24h后,冷却得浅黄色沉淀;步骤4,将浅黄色沉淀依次用高纯水和无水乙醇在6000-10000rpm的转速下离心洗涤2-8次得粗品;步骤5,将粗品在40-80℃下干燥2-8小时得层状Sn3O4方片型材料;步骤6,将Sn3O4方片型材料置于管式炉中,400-600℃下烧结1-4小时即得层状Sn3O4/ SnO2异质结方片型气敏材料。
3.根据权利要求2所述的一种层状Sn3O4/SnO2异质结方片型气敏材料的制备方法,其特征在于,步骤1和步骤2中高纯水的电阻值为18.2 MΩ。
4.根据权利要求2所述的一种层状Sn3O4/SnO2异质结方片型气敏材料的制备方法,其特征在于,步骤4中离心洗涤的转速为8000rpm。
5.根据权利要求2所述的一种层状Sn3O4/SnO2异质结方片型气敏材料的制备方法,其特征在于,步骤1中NaOH溶液的浓度为1mol/L,所述高纯水和乙醇的体积比为1:1。
6.根据权利要求2所述的一种层状Sn3O4/SnO2异质结方片型气敏材料的制备方法,其特征在于,步骤5中干燥温度为60℃,干燥时长为4小时。
7.根据权利要求2所述的一种层状Sn3O4/SnO2异质结方片型气敏材料的制备方法,其特征在于,步骤6中管式炉的烧结温度为500℃,烧结时间为2h,升温和降温速率均为5℃/min。
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