CN107831269B - 提升硫化氢敏感的二氧化锡气敏材料稳定性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提升硫化氢敏感的SnO2气敏材料稳定性的方法，硫盐和SnCl4·5H2O水溶液，将SnO2气敏材料置于上述溶液中，搅拌加入适量络合剂；将上述溶液置于反应釜中，反应3~5小时；待温度降至室温，将样品离心、干燥；制得的粉末前躯体放入高能球磨机中球磨，然后放入马弗炉中焙烧，得到表面多孔的硫酸锡修饰的SnO2纳米粉末。该方法针对SnO2气敏材料在检测H2S气体过程中稳定性差的问题，利用硫盐预处理气敏材料，在SnO2表面形成一层多孔硫酸盐薄膜，可有效防止SnO2在使用过程中与硫化物反应，有望保证传感器在H2S气体氛围长期稳定性。该方法的优点在于制备工艺简单，有望大批量生产，且性能稳定，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及气敏传感器技术领域，具体是指一种提升纳米材料稳定性的方法，特别是涉及一种提升硫化氢敏感的二氧化锡（SnO2）气敏材料稳定性的方法。
背景技术
SnO2由于具有性能优异、环境友善、资源丰富、价格低廉等优点，作为气敏材料，具有响应/恢复时间快、灵敏度高等优点，在气敏传感器领域有非常广泛的应用。以SnO2为敏感材料的传感器虽然对H2S气体具有较高的灵敏度，但是长期暴露于气体氛围容易导致敏感材料敏感性呢下降甚至失活，如何改善气敏材料的长期稳定性是进一步推广SnO2在传感器领域中应用的关键问题。
本发明提供一种简单的改善SnO2气敏材料对H2S气体传感器长期稳定性的方法，可大幅提高SnO2纳米材料的气敏性能，且制备工艺简单，制备的成本低，对进一步推进半导体气敏器件的发展具有实际应用价值。
发明内容
针对SnO2气敏材料在检测H2S气体过程中稳定性差的问题，本发明的目的是提供一种简单可行的提升硫化氢敏感的二氧化锡气敏材料稳定性的方法。
该方法利用硫盐预处理气敏材料，在SnO2表面形成一层致密的硫酸盐薄膜，虽然修饰后材料灵敏度略有下降，但可有效防止SnO2在使用过程中与硫化物反应导致传感器信号漂移，测试结果表明该方法可以提升SnO2纳米材料的稳定性。
本发明的一种提升硫化氢敏感的SnO2气敏材料稳定性的方法包括如下步骤：
一种提升硫化氢敏感的SnO2气敏材料稳定性的方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤一：配一定浓度的硫盐和SnCl4·5H2O水溶液，将SnO2气敏材料置于上述溶液中，搅拌3小时，加入适量络合剂；
步骤二：将上述溶液置于反应釜中，于120~180 ℃反应3~5小时；待温度降至室温，将样品离心、干燥；
步骤三：将步骤二制得的粉末前躯体放入高能球磨机中球磨2~10小时，然后放入马弗炉中350~550 ℃焙烧3~6小时，得到表面多孔的硫酸锡修饰的SnO2纳米粉末。
步骤一所说的硫盐为硫代硫酸钠，硫代硫酸铵，亚硫酸钠，亚硫酸钾，过二硫酸钾中的一种或任意组合；硫盐的浓度为0.1~0.3mol/L，硫盐与SnO2的摩尔比为1:8~20；四氯化锡与SnO2的摩尔比为1:30~50。
步骤一中所说的络合剂为醋酸、酒石酸、草酸、苹果酸、枸椽酸、抗坏血酸、苯甲酸、水杨酸、咖啡酸中的一种或其组合；络合剂的添加量为溶液体积的10~30%。
步骤三中所说的球磨剂尿素，粉末与尿素的质量比为3~5:1，球磨气氛为Ar，球料比为10~20:1，球磨的转速为300~500 r/min。
本实施例制得的粉体分散涂于六脚陶瓷管气敏测试元件上，置于老化台老化一周，采用WS-30A 型气敏元件测试系统测试对H2S气体的响应，测试温度为180 ℃。将老化台置于密封容器内，注入H2S气体使H2S的浓度为100ppm，隔天测试其对H2S气体的响应。
该方法针对SnO2气敏材料在检测H2S气体过程中稳定性差的问题，利用硫盐预处理气敏材料，在SnO2表面形成一层多孔硫酸盐薄膜，可有效防止SnO2在使用过程中与硫化物反应，有望保证传感器在H2S气体氛围长期稳定性。该方法的优点在于制备工艺简单，有望大批量生产，且性能稳定，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的实施例1处理前后SnO2纳米材料对10 ppm的H2S气体的灵敏度对比图。
具体实施方式
实施例1：
以商业SnO2纳米材料为敏感材料。配200mL浓度为0.1mol/L的硫代硫酸钠水溶液，加入适量SnCl4·5H2O，称取SnO2粉末置于上述溶液中，硫代硫酸钠：SnCl4·5H2O：SnO2摩尔比为3:1:30，搅拌3小时，加入20 mL的酒石酸；置于反应釜中，于120 ℃反应3.5小时；待温度降至室温，将样品离心、干燥；
将上述样品前躯体与尿素放入高能球磨机中，前驱体与尿素的质量比为3:1，在Ar氛围中以350 r/min球磨8小时，然后放入马弗炉中450 ℃焙烧5小时，得到表面多孔的硫酸锡修饰的SnO2纳米粉末。
图1是商业SnO2与本实施例处理后样品对10 ppm的H2S气体的灵敏度对比图，工作温度均为230 ℃，长期在H2S氛围下，商业SnO2对H2S的灵敏度迅速下降，10天后由最初的~45下降到18左右，本实施例处理过的样品虽然最初灵敏度较低（在33左右），但是在230 ℃温度下，置于H2S氛围中10天后，灵敏度一直维持在±32左右，由此可见，本发明确实可以提升纳米材料的稳定性，防止使用过程中灵敏度下降导致信号漂移。
实施例2：
以商业SnO2纳米材料为敏感材料。配200mL浓度为0.3mol/L的硫代硫酸钠水溶液，加入适量SnCl4·5H2O，称取SnO2粉末置于上述溶液中，硫代硫酸钠：SnCl4·5H2O：SnO2摩尔比为2:1:30，搅拌3小时，加入30 mL的苹果酸；置于反应釜中，于120 ℃反应5小时；待温度降至室温，将样品离心、干燥。
将上述样品前驱体与尿素放入高能球磨机中，前驱体与尿素的质量比为5:1，在Ar氛围中以300 r/min球磨10小时，然后放入马弗炉中350 ℃焙烧6小时，得到表面多孔的硫酸锡修饰的SnO2纳米粉末。
本实施例与实施例1采用同样的商业SnO2，处理后样品对10 ppm的H2S气体灵敏度在H2S氛围中基本维持在±31。
实施例3：
以水热法合成的SnO2纳米材料为敏感材料。配200mL浓度为0.2mol/L的亚硫酸钠水溶液，加入适量SnCl4·5H2O，称取SnO2粉末置于上述溶液中，亚硫酸钠：SnCl4·5H2O：SnO2摩尔比为2:1:40，搅拌3小时，加入60 mL的枸椽酸；置于反应釜中，于180 ℃反应3小时；待温度降至室温，将样品离心、干燥；
将上述样品前驱体与尿素放入高能球磨机中，前驱体与尿素的质量比为5:1，在Ar氛围中以500 r/min球磨2小时，然后放入马弗炉中350 ℃焙烧6小时，得到表面多孔的硫酸锡修饰的SnO2纳米粉末。
水热法直接合成的SnO2粉末对10 ppm的H2S气体灵敏度在73.2，在H2S氛围下放置10天后，灵敏度降低到24.8；本实施例处理后样品对H2S灵敏度维持在±50。
实施例4：
以水热法制备的SnO2纳米材料为敏感材料。配200mL浓度为0.2mol/L的过二硫酸钾水溶液，加入适量SnCl4·5H2O，称取SnO2粉末置于上述溶液中，过二硫酸钾：SnCl4·5H2O：SnO2摩尔比为5:1:40，搅拌3小时，加入50 mL水杨酸；置于反应釜中，于180 ℃反应5小时；待温度降至室温，将样品离心、干燥；
将上述样品前驱体与尿素放入高能球磨机中，前驱体与尿素的质量比为4:1，在Ar氛围中以500 r/min球磨2小时，然后放入马弗炉中550 ℃焙烧4小时，得到表面多孔的硫酸锡修饰的SnO2纳米粉末。
本实施例与实施例3采用相同的SnO2粉体，本实施例处理后，样品对H2S灵敏度维持在±55。
Claims (4)
1.一种提升硫化氢敏感的二氧化锡气敏材料稳定性的方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤一：配一定浓度的硫盐和SnCl4·5H2O水溶液，将SnO2气敏材料置于上述溶液中，搅拌3小时，加入适量络合剂；
步骤二：将上述溶液置于反应釜中，于120~180 ℃反应3~5小时；待温度降至室温，将样品离心、干燥；
步骤三：将步骤二制得的粉末前躯体放入高能球磨机中球磨2~10小时，然后放入马弗炉中350~550 ℃焙烧3~6小时，得到表面多孔的硫酸锡修饰的SnO2纳米粉末。
2.根据权利要求1所述的提升硫化氢敏感的二氧化锡气敏材料稳定性的方法，其特征在于：步骤一所说的硫盐为硫代硫酸钠，硫代硫酸铵，亚硫酸钠，亚硫酸钾，过二硫酸钾中的一种或任意组合；硫盐的浓度为0.1~0.3mol/L，硫盐与SnO2的摩尔比为1:8~20；四氯化锡与SnO2的摩尔比为1:30~50。
3.根据权利要求1所述的提升硫化氢敏感的二氧化锡气敏材料稳定性的方法，其特征在于：步骤一中所说的络合剂为醋酸、酒石酸、草酸、苹果酸、枸椽酸、抗坏血酸、苯甲酸、水杨酸、咖啡酸中的一种或其组合；络合剂的添加量为溶液体积的10~30%。
4.根据权利要求1所述的提升硫化氢敏感的二氧化锡气敏材料稳定性的方法，其特征在于：步骤三中球磨所用球磨剂为尿素，粉末与尿素的质量比为3~5:1，球磨气氛为Ar，球料比为10~20:1，球磨的转速为300~500 r/min。
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