CN110095510B - 一种对甲醇气体高灵敏度和高选择性的Sm掺杂NiGa2O4复合材料 - Google Patents

一种对甲醇气体高灵敏度和高选择性的Sm掺杂NiGa2O4复合材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对甲醇气体高灵敏度和高选择性的Sm掺杂NiGa2O4复合材料，属于气敏材料技术领域。所述复合材料制备方法如下：将氢氧化钠溶液加入含有Sm3+、Ni2+和Ga3+的盐的水溶液中,制成混合溶液；再将所述混合溶液置于微波反应釜中反应,反应物经洗涤干燥后即得。以该复合材料作为敏感材料制成的旁热式气敏传感器,在室温工作温度下,对0.1ppm甲醇气体的灵敏度在1.5‑2.5之间,对1000ppm甲醇气体的灵敏度在150‑200之间,响应恢复时间均小于60s,可以实现空气中甲醇气体浓度的快速检测。对1000ppm的乙醇、丙酮、甲醛、乙醛、三甲胺和氨水等气体的灵敏度均低于5，即复合材料对甲醇气体有高气敏选择性。

Description

一种对甲醇气体高灵敏度和高选择性的Sm掺杂NiGa2O4复合 材料
技术领域
本发明属于气敏材料技术领域，具体涉及一种对甲醇气体高灵敏和高选择性的Sm掺杂NiGa2O4气敏材料。
背景技术
甲醇是一种无色易挥发且有毒的可燃性液体，泄漏在空气中严重危害环境和人类健康。情况严重，可导致人类及动物支气管收缩和呼吸道狭窄，长期暴露在甲醇气氛中致使眼睛灼烧和扰乱生物体新陈代谢。中国有关部门规定，工厂空气甲醇的浓度限制为50mg/m3(约18.6ppm)，在有甲醇气氛的现场工作须戴防毒面具。目前测定空气中甲醇浓度的方法主要采用气相色谱法和离子色谱法等，这些方法需要较昂贵的仪器设备，采样分析需要耗费较长时间。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种用于检测空气中甲醇气体的高灵敏度和选择性的气体敏感材料，该材料可以消除丙酮、乙醇等对检测甲醇气体的干扰，提供一种快速检测空气中甲醇气体浓度的途径。
本发明是通过以下技术方案予以实现的。
本发明提供了一种对甲醇气体高灵敏度和高选择性的Sm掺杂NiGa2O4气敏材料，该材料组成是Sm掺杂NiGa2O4纳米粉体，材料由大量的微小晶粒构起，平均粒径约为15nm。
本发明中Sm掺杂NiGa2O4纳米粉体材料的制备方法及过程是：按照摩尔比 n(Ga)：n(Ni)：n(Sm)＝2：x：1-x(0.001≤x≤0.06)的含量称取Ni(NO3)2·6H2O、 Ga(NO3)3·8H2O和Sm2O3(利用浓硝酸溶解)溶于20ml的去离子水，搅拌溶解；用1mol/L的NaOH调节溶液的pH至10，搅拌30min；随后将反应溶液转移到100ml的微波反应釜中，微波消解仪的温度设定在170-180℃，功率设定为 500w，反应60-120min,待反应釜冷却后,产物用去离子水和无水乙醇洗涤，洗涤后的沉淀物放入烘箱中在60℃条件下烘24h即得。
本发明的材料可以作为甲醇气体敏感元件的敏感材料，利用该材料制作旁热式气敏元件的方法是：将0.1克材料与0.5克松油醇混合研磨制成浆料，用小毛刷将浆料涂到氧化铝陶瓷管的表面；氧化铝陶瓷管的尺寸是：长6毫米，内径1.6毫米，外径2毫米，在氧化铝管两端用金浆电极，电极上焊有金丝作为引线，电极之间距离是1毫米；在氧化铝管内放置镍铬合金丝作为加热丝，通过控制通过加热丝的电流和加热丝两端电压可以控制氧化铝管表面敏感材料的工作温度；将涂有敏感材料浆料的氧化铝管放在红外灯下烘干，即得到旁热式气敏元件。元件对某种气体的灵敏度是在工作温度下，元件在空气中电阻与元件在被测气体中电阻的比值。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、本发明通过微波水热法制备Sm掺杂NiGa2O4纳米粉体。
2、本发明得到的Sm掺杂NiGa2O4纳米粉体材料对甲醇有高灵敏度和高选择性。在工作温度为室温时，利用该材料制作的旁热式气敏元件对1000ppm甲醇灵敏度达到150-200，对甲醇检测限低至0.1ppm，对0.1ppm甲醇气体的灵敏度达到1.5-2.5，并且对0.1-1000ppm甲醇气体的响应和恢复时间分别不超过60s。该元件在室温时，对1000ppm的乙醇、丙酮、甲醛、乙醛、三甲胺和氨水等气体的灵敏度均低于5，即Sm掺杂NiGa2O4纳米粉体气敏材料对甲醇气体有高气敏选择性。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的Sm掺杂NiGa2O4纳米粉体的电镜照片。
具体实施方式
以下结合具体实施例详述本发明，但本发明不局限于下述实施例。
实施例1
按照摩尔比n(Ga)：n(Ni)：n(Sm)＝2：x：1-x(0.001≤x≤0.06)的含量分别称取0.2975g Ni(NO3)2·6H2O、0.7981g Ga(NO3)3·8H2O和0.0009g Sm2O3(利用浓硝酸溶解)溶于20ml的去离子水，搅拌溶解；用1mol/L的NaOH调节溶液的pH至 10，搅拌30min；随后将反应溶液转移到100ml的微波反应釜中，微波消解仪的温度设定在180℃，功率设定为500w，反应120min，待反应釜冷却后，产物用去离子水和无水乙醇洗涤，洗涤后的沉淀物放入烘箱中在60℃条件下烘24h 即得。
将材料制成旁热式元件，测得元件室温下对1000、500、250、100、50、25、 10、5、1和0.1ppm甲醇气体的最高灵敏度分别为197.1、169.6、94.6、66.8、 39.2、26.6、8.9、3、1.9和1.4，表明材料对甲醇气体有高灵敏度；对1000ppm 乙醇、丙酮、甲醛、乙醛、三甲胺、乙酸和氨水等气体的灵敏度分别为1.7、4.0、 1.3、1.1、3.5、1.4和1.0，元件对1000ppm甲醇灵敏度与对1000ppm丙酮灵敏度之比达到49.2，表明材料对甲醇气体有高气敏选择性。
实施例2
按照摩尔比n(Ga)：n(Ni)：n(Sm)＝2：x：1-x(0.001≤x≤0.06)的含量分别称取0.2961g Ni(NO3)2·6H2O、0.7981g Ga(NO3)3·8H2O和0.0017g Sm2O3(利用浓硝酸溶解)溶于20ml的去离子水，搅拌溶解；用1mol/L的NaOH调节溶液的pH至 10，搅拌30min；随后将反应溶液转移到100ml的微波反应釜中，微波消解仪的温度设定在175℃，功率设定为500w，反应110min，待反应釜冷却后,产物用去离子水和无水乙醇洗涤,洗涤后的沉淀物放入烘箱中在60℃条件下烘24h即得。
将材料制成旁热式元件，测得元件在室温下下对1000、500、250、100、50、 25、10、5、1和0.1ppm甲醇气体的最高灵敏度分别为195.2、165.6、92.2、63.4、 32.3、25.3、5.9、2.9、1.3和1.2，表明材料对甲醇气体有高灵敏度；对1000ppm 乙醇、丙酮、甲醛、乙醛、三甲胺、乙酸和氨水等气体的灵敏度分别为2.6、5.0、 2.3、1.2、1.1、3.9和1.4，元件对1000ppm甲醇灵敏度与对1000ppm丙酮灵敏度之比达到39，表明材料对甲醇气体有高气敏选择性。(要多列出几种不敏感的气体)
实施例3
按照摩尔比n(Ga)：n(Ni)：n(Sm)＝2：x：1-x(0.001≤x≤0.06)的含量分别称取0.2930g Ni(NO3)2·6H2O、0.7981g Ga(NO3)3·8H2O和0.0034g Sm2O3(利用浓硝酸溶解)溶于20ml的去离子水，搅拌溶解；用1mol/L的NaOH调节溶液的pH至 10，搅拌30min；随后将反应溶液转移到100ml的微波反应釜中，微波消解仪的温度设定在175℃，功率设定为500w，反应120min，待反应釜冷却后,产物用去离子水和无水乙醇洗涤,洗涤后的沉淀物放入烘箱中在60℃条件下烘24h即得。
将材料制成旁热式元件，测得元件在室温下下对1000、500、250、100、50、 25、10、5、1和0.1ppm甲醇气体的最高灵敏度分别为192.2、155.6、90.2、62.1、 30.3、22.3、3.9、1.9、1.3和1.1，表明材料对甲醇气体有高灵敏度；对1000ppm 乙醇、丙酮、甲醛、乙醛、三甲胺、乙酸和氨水等气体的灵敏度分别为2.4、4.5、 1.3、1.3、1.0、4.2和1.1，元件对1000ppm甲醇灵敏度与对1000ppm丙酮灵敏度之比达到42.7，表明材料对甲醇气体有高气敏选择性。
实施例4
按照摩尔比n(Ga)：n(Ni)：n(Sm)＝2：x：1-x(0.001≤x≤0.06)的含量分别称取0.2900g Ni(NO3)2·6H2O、0.7981g Ga(NO3)3·8H2O和0.0052g Sm2O3(利用浓硝酸溶解)溶于20ml的去离子水，搅拌溶解；用1mol/L的NaOH调节溶液的pH至 10，搅拌30min；随后将反应溶液转移到100ml的微波反应釜中，微波消解仪的温度设定在170℃，功率设定为500w，反应120min，待反应釜冷却后,产物用去离子水和无水乙醇洗涤,洗涤后的沉淀物放入烘箱中在60℃条件下烘24h即得。
将材料制成旁热式元件，测得元件在室温下下对1000、500、250、100、50、 25、10、5、1和0.1ppm甲醇气体的最高灵敏度分别为182.2、143.6、89.2、62.5、 29.3、21.3、3.3、1.5、1.2和1.1，表明材料对甲醇气体有高灵敏度；对1000ppm 乙醇、丙酮、甲醛、乙醛、三甲胺、乙酸和氨水等气体的灵敏度分别为1.3、3.9、 2.1、1.3、1.1、2.9和1.0，元件对1000ppm甲醇灵敏度与对1000ppm丙酮灵敏度之比达到46.7，表明材料对甲醇气体有高气敏选择性。

Claims (2)

1.一种对甲醇气体高灵敏度和高选择性的Sm掺杂NiGa2O4复合材料，其特征在于，该材料组成是Sm掺杂NiGa2O4纳米粉体，该纳米粉体的平均粒径为15nm；
在工作温度为室温时，利用该材料制作的旁热式气敏元件对1000 ppm甲醇灵敏度达到150-200，对甲醇检测限低至0.1 ppm，对0.1 ppm甲醇气体的灵敏度达到1.5-2.5，并且对0.1-1000 ppm甲醇气体的响应和恢复时间分别不超过60 s；该元件在室温时，对1000 ppm的乙醇、丙酮、甲醛、乙醛、三甲胺和氨水气体的灵敏度均低于5；
所述Sm掺杂NiGa2O4纳米粉体由微波辅助水热法制备，具体制备步骤是：
（1）按照摩尔比n(Ga)：n(Ni)：n(Sm)=2：x：1-x 的含量称取Ni(NO3)2·6H2O、Ga(NO3)3·8H2O和Sm2O3溶于20ml的去离子水，搅拌溶解；用1mol/L的NaOH调节溶液的pH至10，搅拌30min；其中：0.001≤x≤0.06；
随后将步骤（1）的反应溶液转移到100 ml的微波反应釜中，微波反应温度设定在170～180℃，功率设定为500w，反应60～120min，待反应釜冷却后，产物用去离子水和无水乙醇洗涤，洗涤后的沉淀物放入烘箱中在60℃条件下烘24h即得。
2.如权利要求1所述的Sm掺杂NiGa2O4复合材料作为甲醇气体敏感材料制作的气体传感器。
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