CN109490373B - 甲醛、一氧化碳和二氧化硫的催化发光敏感材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种甲醛、一氧化碳和二氧化硫的催化发光敏感材料，其特征是由MnO2、Nd2O3和NiO组成的复合敏感材料，其制备方法是：将锰盐、钕盐和镍盐共溶于柠檬酸水溶液中，旋转蒸发一定水分，降至室温，连续搅拌下滴加氢氧化钠水溶液至pH值为3.5‑4.0，继续搅拌并滴加氨水至pH值为5.2‑5.5，过滤、烘干、研磨和灼烧，得到由MnO2、Nd2O3和NiO组成的复合粉体材料。使用本发明所提供的敏感材料制作的气体传感器，可以在现场快速测定空气中的微量甲醛、一氧化碳和二氧化硫。

Description

甲醛、一氧化碳和二氧化硫的催化发光敏感材料
技术领域
本发明涉及一种快速测定甲醛、一氧化碳和二氧化硫的催化发光敏感材料，特别是由MnO2、Nd2O3和NiO组成的复合敏感材料，属于传感技术领域。
背景技术
甲醛是一种无色易挥发的化工原料，作为胶粘剂原料、消毒剂、防腐剂和整理剂被广泛应用于压缩板、涂料、油漆、化妆品和包装材料等产品中，并随着应用产品的使用被不断释放到空气中。人们对空气中各种浓度的甲醛有不同的反映：当空气中的甲醛浓度达到0.08mg/m3时儿童就会发生轻微气喘，达到0.1mg/m3时就有异味感，达到0.6mg/m3时可引起咽喉不适或疼痛，达到1mg/m3时会引起眼睛大量流泪，达到10mg/m3时则会感觉呼吸困难，达到30mg/m3时能使人窒息。长期接触低剂量甲醛(0.1mg/m3以下)可以引起慢性呼吸道疾病、女性妊娠综合症、新生儿体质降低和染色体异常等病变。甲醛已被国际癌症研究中心(IARC)确认为致癌物质。一氧化碳为无色、无臭、无刺激性的气体，与空气混合爆炸极限为12.5％～74％。一氧化碳是大气中分布最广和数量最多的污染物，也是燃烧过程中生成的重要污染物之一。大气中的CO主要来源是内燃机排气，其次是锅炉中化石燃料的燃烧。凡含碳的物质燃烧不完全时，都可产生CO气体。在工业生产中接触CO的作业有很多种，如冶金工业中炼焦、炼铁、锻冶、铸造和热处理的生产；化学工业中合成氨、丙酮、光气、甲醇的生产；矿井放炮、煤矿瓦斯爆炸事故；碳素石墨电极制造；内燃机试车；以及生产金属羰化物如羰基镍、羰基铁等过程，或生产使用含CO的可燃气体(如水煤气含CO达40％，高炉与发生炉煤气中含30％，煤气含5％～15％)，都可能接触CO。炸药或火药爆炸后的气体含CO约30％～60％。使用柴油、汽油的内燃机废气中也含CO约1％～8％。一氧化碳进入人体之后会和血液中的血红蛋白结合，由于CO与血红蛋白结合能力远强于氧气与血红蛋白的结合能力，进而使能与氧气结合的血红蛋白数量急剧减少，从而引起机体组织缺氧，导致人体窒息死亡。二氧化硫是大气中主要污染物之一，是衡量大气是否遭到污染的重要标志。世界上有很多城市发生过二氧化硫危害的严重事件，使很多人中毒或死亡。二氧化硫具有酸性，可与空气中的其他物质反应，生成微小的亚硫酸盐和硫酸盐颗粒。当这些颗粒被吸入时，它们将聚集于肺部，是呼吸系统症状和疾病的主要原因之一。二氧化硫浓度为10～15ppm时，呼吸道纤毛运动和粘膜的分泌功能均能受到抑制。浓度达20ppm时，引起咳嗽并刺激眼睛。若每天吸入浓度为100ppm达8小时，支气管和肺部出现明显的刺激症状，使肺组织受损。浓度达400ppm时可使人产生呼吸困难。二氧化硫与飘尘一起被吸入，飘尘气溶胶微粒可把二氧化硫带到肺部使毒性增加3～4倍。若飘尘表面吸附金属微粒，在其催化作用下，使二氧化硫氧化为硫酸雾，其刺激作用比二氧化硫增强约1倍。长期生活在大气污染的环境中，由于二氧化硫和飘尘的联合作用，可促使肺泡纤维增生。如果增生范围波及广泛，形成纤维性病变，发展下去可使纤维断裂形成肺气肿。二氧化硫可以加强致癌物苯并芘的致癌作用，动物试验表明，在二氧化硫和苯并芘的联合作用下，动物肺癌的发病率远高于单个因素的发病率，在短期内即可诱发肺部扁平细胞癌，长期接触还可诱发其它病变。
由于我们生活和工作的环境中都有可能存在甲醛和/或一氧化碳和/或二氧化硫，因此研究快速准确测定空气中甲醛、一氧化碳和二氧化硫的方法具有一定的现实意义。文献中测定甲醛、一氧化碳和二氧化硫的方法主要有电化学法、色谱法、光度法和化学发光法等。由于这些方法都需要预先富集和制样处理才能通过分析仪器完成测定，因此耗时长不易现场实现。
发明内容
本发明的目的是克服以往技术的不足，提供一种对甲醛、一氧化碳和二氧化硫都有较高选择性的复合敏感材料。用这种敏感材料制作的监测甲醛、一氧化碳和二氧化硫的气体传感器，可以在现场快速、准确测定空气中的微量甲醛、一氧化碳和二氧化硫而不受常见共存分子的干扰。
本发明所述的复合敏感材料是由MnO2、Nd2O3和NiO组成的复合粉体材料，其制备方法是：将易溶于酸性水溶液的锰盐、钕盐和镍盐共溶于质量分数为15-18％的柠檬酸水溶液中，超声振荡至澄清，加热回流3-4小时，旋转蒸发出四分之一水分，降至室温后，在连续搅拌下以每分钟不超过1mL的速度滴加质量分数10％的氢氧化钠水溶液至pH值为3.5-4.0，静置陈化5-6小时，继续搅拌并以每分钟不超过2mL的速度滴加质量分数15％的氨水至pH值为5.2-5.5，继续搅拌2小时后再静置陈化5-6小时，过滤并将滤出物烘干、研磨后，在箱式电阻炉中以每分钟不超过2℃的速度升温至250-270℃，保持此温度4-5小时，继续以每分钟不超过2℃的速度升温至400-420℃，保持此温度2-3小时，自然冷却得到由MnO2、Nd2O3和NiO组成的复合粉体材料。
其中，锰盐是醋酸锰、硫酸锰、氯化锰、硝酸锰和高氯酸锰的无水物或水合物的一种或几种的混合物，钕盐是硝酸钕、草酸钕、硫酸钕、氯化钕、醋酸钕和高氯酸钕的无水物或水合物的一种或几种的混合物，镍盐是氯化镍、溴化镍、硫酸镍和硝酸镍的无水物或水合物的一种或几种的混合物。
当制得的复合粉体材料粒径不超过35nm，各组分质量分数满足MnO2(30-40％)、Nd2O3(25-35％)和NiO(35-45％)时，用于作为监测空气中甲醛和一氧化碳的复合敏感材料具有很高的灵敏性和选择性。
具体实施方式
实施例1
将易溶于酸性水溶液的2水醋酸锰、6水硝酸钕和6水氯化镍共溶于质量分数为16％的柠檬酸水溶液中，超声振荡至澄清，加热回流3小时，旋转蒸发出四分之一水分，降至室温后，在连续搅拌下以每分钟不超过1mL的速度滴加质量分数10％的氢氧化钠水溶液至pH值为3.6，静置陈化5小时，继续搅拌并以每分钟不超过2mL的速度滴加质量分数15％的氨水至pH值为5.5，继续搅拌2小时后再静置陈化6小时，过滤并将滤出物烘干、研磨后，在箱式电阻炉中以每分钟不超过2℃的速度升温至252℃，保持此温度5小时，继续以每分钟不超过2℃的速度升温至418℃，保持此温度2小时，自然冷却得到由MnO2、Nd2O3和NiO组成的复合粉体材料。
分析：用透射电子显微镜测试此复合粉体材料，其最大粒径不超过35nm，平均粒径约为25nm；对其进行成分分析，测得各组分质量百分数分别为MnO2(33.4％)、Nd2O3(31.5％)和NiO(35.1％)。
应用：以此复合粉体作为敏感材料检测空气中的甲醛、一氧化碳和二氧化硫，线性范围为甲醛0.15-86mg/m3、一氧化碳0.5-129mg/m3和二氧化硫0.5-72mg/m3，检出限为甲醛0.1mg/m3、一氧化碳0.2mg/m3和二氧化硫0.3mg/m3，其它常见共存物没有干扰。
实施例2
将易溶于酸性水溶液的硫酸锰、10水草酸钕和3水溴化镍共溶于质量分数为18％的柠檬酸水溶液中，超声振荡至澄清，加热回流4小时，旋转蒸发出四分之一水分，降至室温后，在连续搅拌下以每分钟不超过1mL的速度滴加质量分数10％的氢氧化钠水溶液至pH值为3.8，静置陈化5小时，继续搅拌并以每分钟不超过2mL的速度滴加质量分数15％的氨水至pH值为5.4，继续搅拌2小时后再静置陈化5小时，过滤并将滤出物烘干、研磨后，在箱式电阻炉中以每分钟不超过2℃的速度升温至260℃，保持此温度5小时，继续以每分钟不超过2℃的速度升温至415℃，保持此温度3小时，自然冷却得到由MnO2、Nd2O3和NiO组成的复合粉体材料。
分析：用透射电子显微镜测试此复合粉体材料，其最大粒径不超过35nm，平均粒径约为20nm；对其进行成分分析，测得各组分质量百分数分别为MnO2(36.5％)、Nd2O3(26.9％)和NiO(36.6％)。
应用：以此复合粉体作为敏感材料检测空气中的甲醛、一氧化碳和二氧化硫，线性范围为甲醛0.2-128mg/m3、一氧化碳0.8-132mg/m3和二氧化硫0.6-79mg/m3，检出限为甲醛0.15mg/m3、一氧化碳0.5mg/m3和二氧化硫0.3mg/m3，其它常见共存物没有干扰。
实施例3
将易溶于酸性水溶液的4水氯化锰、8水硫酸钕、高氯酸钕和6水硫酸镍共溶于质量分数为15％的柠檬酸水溶液中，超声振荡至澄清，加热回流3.5小时，旋转蒸发出四分之一水分，降至室温后，在连续搅拌下以每分钟不超过1mL的速度滴加质量分数10％的氢氧化钠水溶液至pH值为3.7，静置陈化6小时，继续搅拌并以每分钟不超过2mL的速度滴加质量分数15％的氨水至pH值为5.3，继续搅拌2小时后再静置陈化5小时，过滤并将滤出物烘干、研磨后，在箱式电阻炉中以每分钟不超过2℃的速度升温至255℃，保持此温度4小时，继续以每分钟不超过2℃的速度升温至405℃，保持此温度2小时，自然冷却得到由MnO2、Nd2O3和NiO组成的复合粉体材料。
分析：用透射电子显微镜测试此复合粉体材料，其最大粒径不超过35nm，平均粒径约为25nm；对其进行成分分析，测得各组分质量百分数分别为MnO2(38.3％)、Nd2O3(25.2％)和NiO(36.5％)。
应用：以此复合粉体作为敏感材料检测空气中的甲醛、一氧化碳和二氧化硫，线性范围为甲醛0.1-56mg/m3、一氧化碳0.8-89mg/m3和二氧化硫0.8-107mg/m3，检出限为甲醛0.05mg/m3、一氧化碳0.4mg/m3和二氧化硫0.5mg/m3，其它常见共存物没有干扰。
实施例4
将易溶于酸性水溶液的6水硝酸锰、6水氯化钕和6水硝酸镍共溶于质量分数为17％的柠檬酸水溶液中，超声振荡至澄清，加热回流4小时，旋转蒸发出四分之一水分，降至室温后，在连续搅拌下以每分钟不超过1mL的速度滴加质量分数10％的氢氧化钠水溶液至pH值为3.9，静置陈化5小时，继续搅拌并以每分钟不超过2mL的速度滴加质量分数15％的氨水至pH值为5.2，继续搅拌2小时后再静置陈化6小时，过滤并将滤出物烘干、研磨后，在箱式电阻炉中以每分钟不超过2℃的速度升温至265℃，保持此温度5小时，继续以每分钟不超过2℃的速度升温至410℃，保持此温度3小时，自然冷却得到由MnO2、Nd2O3和NiO组成的复合粉体材料。
分析：用透射电子显微镜测试此复合粉体材料，其最大粒径不超过35nm，平均粒径约为25nm；对其进行成分分析，测得各组分质量百分数分别为MnO2(31.4％)、Nd2O3(28.7％)和NiO(39.9％)。
应用：以此复合粉体作为敏感材料检测空气中的甲醛、一氧化碳和二氧化硫，线性范围为甲醛0.3-181mg/m3、一氧化碳1-152mg/m3和二氧化硫0.9-98mg/m3，检出限为甲醛0.1mg/m3、一氧化碳0.5mg/m3和二氧化硫0.5mg/m3，其它常见共存物没有干扰。
实施例5
将易溶于酸性水溶液的6水高氯酸锰、4水醋酸钕、3水溴化镍和6水硝酸镍共溶于质量分数为16％的柠檬酸水溶液中，超声振荡至澄清，加热回流3小时，旋转蒸发出四分之一水分，降至室温后，在连续搅拌下以每分钟不超过1mL的速度滴加质量分数10％的氢氧化钠水溶液至pH值为4.0，静置陈化6小时，继续搅拌并以每分钟不超过2mL的速度滴加质量分数15％的氨水至pH值为5.5，继续搅拌2小时后再静置陈化5小时，过滤并将滤出物烘干、研磨后，在箱式电阻炉中以每分钟不超过2℃的速度升温至268℃，保持此温度4小时，继续以每分钟不超过2℃的速度升温至402℃，保持此温度3小时，自然冷却得到由MnO2、Nd2O3和NiO组成的复合粉体材料。
分析：用透射电子显微镜测试此复合粉体材料，其最大粒径不超过35nm，平均粒径约为25nm；对其进行成分分析，测得各组分质量百分数分别为MnO2(34.0％)、Nd2O3(28.8％)和NiO(37.2％)。
应用：以此复合粉体作为敏感材料检测空气中的甲醛、一氧化碳和二氧化硫，线性范围为甲醛0.2-77mg/m3、一氧化碳0.5-85mg/m3和二氧化硫0.5-53mg/m3，检出限为甲醛0.1mg/m3、一氧化碳0.2mg/m3和二氧化硫0.2mg/m3，其它常见共存物没有干扰。

Claims (1)

1.一种甲醛、一氧化碳和二氧化硫的催化发光敏感材料，其特征是由MnO2、Nd2O3和NiO组成的粒径不超过35nm的复合敏感材料，其中各组分的质量百分数范围为30-40％MnO2、25-35％Nd2O3和35-45％NiO，其制备方法是：将易溶于酸性水溶液的锰盐、钕盐和镍盐共溶于质量分数为15-18％的柠檬酸水溶液中，超声振荡至澄清，加热回流3-4小时，旋转蒸发出四分之一水分，降至室温后，在连续搅拌下以每分钟不超过1mL的速度滴加质量分数为10％的氢氧化钠水溶液至pH值为3.5-4.0，静置陈化5-6小时，继续搅拌并以每分钟不超过2mL的速度滴加质量分数为15％的氨水至pH值为5.2-5.5，继续搅拌2小时后再静置陈化5-6小时，过滤并将滤出物烘干、研磨后，在箱式电阻炉中以每分钟不超过2℃的速度升温至250-270℃，保持此温度4-5小时，继续以每分钟不超过2℃的速度升温至400-420℃，保持此温度2-3小时，自然冷却得到由MnO2、Nd2O3和NiO组成的复合粉体材料；所述的锰盐是醋酸锰、硫酸锰、氯化锰、硝酸锰和高氯酸锰的无水物或水合物的一种或几种的混合物，钕盐是硝酸钕、草酸钕、硫酸钕、氯化钕、醋酸钕和高氯酸钕的无水物或水合物的一种或几种的混合物，镍盐是氯化镍、溴化镍、硫酸镍和硝酸镍的无水物或水合物的一种或几种的混合物。
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