CN110095513A - 一种对三甲胺气体高气敏选择性的g-C3N4-ZnGa2O4纳米复合材料 - Google Patents

一种对三甲胺气体高气敏选择性的g-C3N4-ZnGa2O4纳米复合材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对三甲胺气体高气敏选择性的g‑C3N4‑ZnGa2O4纳米复合材料，属于气敏材料技术领域。该复合材料由平均粒径为15nm的ZnGa2O4纳米颗粒均匀附着在g‑C3N4纳米片上构成。该g‑C3N4‑ZnGa2O4复合材料采用水热法制备。以该材料作为敏感材料制成的旁热式气敏元件，在室温下，元件对100ppm三甲胺灵敏度达7.0‑10.0，对三甲胺检测限低至0.01ppm，并且在相同的工作温度下对100ppm乙醇、丙酮、氨气、乙酸、乙醛、甲醛、苯、甲苯的灵敏度均低于1.2。即本发明得到的纳米复合材料对三甲胺气体有高选择性和低检出限。

Description

一种对三甲胺气体高气敏选择性的g-C3N4-ZnGa2O4纳米复合 材料
技术领域
本发明属于气敏材料技术领域，具体涉及一种对三甲胺气体高气敏选择性和低检出限的g-C3N4-ZnGa2O4复合气敏材料。
背景技术
三甲胺(TMA)是鱼贝类在腐烂过程中释放出来的主要气体，根据TMA的浓度可以判断肉类和海鲜等的新鲜度，目前对于鱼类新鲜度的检测，应用最广泛的方法是对鱼组织中三磷酸腺苷(ATP)相关化合物的化学分析，这种方法不仅耗时，而且过程较复杂。三甲胺有毒，其蒸汽会对人体皮肤，眼睛和呼吸道造成严重不适，15ppm的TMA会引起皮肤剧烈的烧灼感和潮红。如果暴露在10ppm TMA的气氛中，不能持续超过10h，暴露在15ppm TMA最多不能超过15min，否则会有一定的危险，所以开发一种能检测较低浓度三甲胺的气体传感器具有十分重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于检测空气中三甲胺气体的高气敏选择性、低检出限的气体敏感材料，该材料可以消除乙酸、丙酮、氨气、乙醇、乙醛、甲醛、苯、甲苯等对检测三甲胺气体的干扰，提供一种快速检测空气中三甲胺气体浓度的途径。
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三甲胺气体高气敏选择性和低检出限的g-C3N4-ZnGa2O4复合气敏材料，该材料是由平均粒径为15nm的粒子均匀附着在g-C3N4纳米片上构成。
本发明中g-C3N4-ZnGa2O4复合材料的制备方法及过程是：
(1)取10g三聚氰胺放于坩埚中，在马弗炉中以2.5℃/min的速率将温度升至550℃，并保温4小时。热处理后，得到黄色粉体，即为g-C3N4。
(2)称取一定量的Zn(NO3)2·6H2O和Ga(NO3)3·xH2O(物质的量比1：2)放于烧杯中，并加入20-30mL去离子水，充分搅拌使其完全溶解。再称取一定量的g-C3N4放于上述溶液中，超声分散2-3小时(g-C3N4与ZnGa2O4物质的量比为0.1～5:1)。边搅拌边向上述混合液中缓慢滴加氨水，使pH值为8.00-11.00，将混合溶液搅拌30min后，转移到50mL反应釜中，将其在150-180℃下反应12-24h，产物使用去离子水和无水乙醇进行多次洗涤，洗涤后的沉淀物放入烘箱在80℃下烘12h，即得到g-C3N4-ZnGa2O4纳米复合材料。
作为一种优化，所述g-C3N4与ZnGa2O4物质的量比为2:1。
本发明的材料可以作为三甲胺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，通过控制流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、本发明采用水热法制备了g-C3N4-ZnGa2O4复合材料。该材料是由平均粒径为15nm的粒子均匀附着在g-C3N4纳米片上构成，具有较大的比表面积。
2、本发明得到的g-C3N4-ZnGa2O4复合材料对三甲胺有高选择性和低检出限。在室温下，利用该材料制作的旁热式气敏元件对100ppm三甲胺灵敏度达7.0-10.0，对三甲胺检测限低至0.01ppm，并且在相同的工作温度下对100ppm乙醇、丙酮、氨气、乙酸、乙醛、甲醛、苯、甲苯的灵敏度均低于1.2，即g-C3N4-ZnGa2O4气敏材料对三甲胺气体有高气敏选择性和低检出限。
附图说明
图1为本发明实施例2制备的g-C3N4-ZnGa2O4复合材料的SEM照片。
图2为本发明实施例2制备的g-C3N4-ZnGa2O4复合材料的TEM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
取10g三聚氰胺放于坩埚中，在马弗炉中以2.5℃/min的速率将温度升至550℃，并保温4小时。热处理后，得到黄色粉体，即为g-C3N4；称取一定量的Zn(NO3)2·6H2O和Ga(NO3)3·xH2O(物质的量比1：2)放于烧杯中，并加入20-30mL去离子水，充分搅拌使其完全溶解。再称取一定量的g-C3N4放于上述溶液中，超声分散2-3小时(g-C3N4与ZnGa2O4物质的量比为0.1:1)。边搅拌边向上述混合液中缓慢滴加氨水，使pH值为8.00，将混合溶液搅拌30min后，转移到50mL反应釜中，将其在150℃下反应12h，产物使用去离子水和无水乙醇进行多次洗涤，洗涤后的沉淀物放入烘箱在80℃下烘12h，即得到g-C3N4-ZnGa2O4纳米复合材料；
将材料制成旁热式元件，测得元件在室温下对0.01、0.1、1、10、50、100ppm三甲胺气体的最高灵敏度分别为1.1、1.2、1.3、2.4、6和7.0；对100ppm乙醇、丙酮、氨气、乙酸、乙醛、甲醛、苯、甲苯的灵敏度均小于1.2，元件对100ppm三甲胺灵敏度与对100ppm乙酸的灵敏度之比达到6.8，表明材料对三甲胺气体有高气敏选择性和低检出限。
实施例2
取10g三聚氰胺放于坩埚中，在马弗炉中以2.5℃/min的速率将温度升至550℃，并保温4小时。热处理后，得到黄色粉体，即为g-C3N4；称取一定量的Zn(NO3)2·6H2O和Ga(NO3)3·xH2O(物质的量比1：2)放于烧杯中，并加入20-30mL去离子水，充分搅拌使其完全溶解。再称取一定量的g-C3N4放于上述溶液中，超声分散2-3小时(g-C3N4与ZnGa2O4物质的量比为2:1)。边搅拌边向上述混合液中缓慢滴加氨水，使pH值为9.00，将混合溶液搅拌30min后，转移到50mL反应釜中，将其在160℃下反应16h，产物使用去离子水和无水乙醇进行多次洗涤，洗涤后的沉淀物放入烘箱在80℃下烘12h，即得到g-C3N4-ZnGa2O4纳米复合材料；
将材料制成旁热式元件，测得元件在室温下对0.01、0.1、1、10、50、100ppm三甲胺气体的最高灵敏度分别为1.2、1.3、2.3、3.4、6.8和8.0；对100ppm乙醇、丙酮、氨气、乙酸、乙醛、甲醛、苯、甲苯的灵敏度均小于1.2，元件对100ppm三甲胺灵敏度与对100ppm乙酸的灵敏度之比达到7.3，表明材料对三甲胺气体有高气敏选择性和低检出限。
实施例3
取10g三聚氰胺放于坩埚中，在马弗炉中以2.5℃/min的速率将温度升至550℃，并保温4小时。热处理后，得到黄色粉体，即为g-C3N4；称取一定量的Zn(NO3)2·6H2O和Ga(NO3)3·xH2O(物质的量比1：2)放于烧杯中，并加入20-30mL去离子水，充分搅拌使其完全溶解。再称取一定量的g-C3N4放于上述溶液中，超声分散2-3小时(g-C3N4与ZnGa2O4物质的量比为3:1)。边搅拌边向上述混合液中缓慢滴加氨水，使pH值为10.00，将混合溶液搅拌30min后，转移到50mL反应釜中，将其在170℃下反应20h，产物使用去离子水和无水乙醇进行多次洗涤，洗涤后的沉淀物放入烘箱在80℃下烘12h，即得到g-C3N4-ZnGa2O4纳米复合材料；
将材料制成旁热式元件，测得元件在室温下对0.01、0.1、1、10、50、100ppm三甲胺气体的最高灵敏度分别为1.4、2.3、3.3、4.4、7.8和9.5；对100ppm乙醇、丙酮、氨气、乙酸、乙醛、甲醛、苯、甲苯的灵敏度均小于1.2，元件对100ppm三甲胺灵敏度与对100ppm乙酸的灵敏度之比达到8.6，表明材料对三甲胺气体有高气敏选择性和低检出限。
实施例4
取10g三聚氰胺放于坩埚中，在马弗炉中以2.5℃/min的速率将温度升至550℃，并保温4小时。热处理后，得到黄色粉体，即为g-C3N4；称取一定量的Zn(NO3)2·6H2O和Ga(NO3)3·xH2O(物质的量比1：2)放于烧杯中，并加入20-30mL去离子水，充分搅拌使其完全溶解。再称取一定量的g-C3N4放于上述溶液中，超声分散2-3小时(g-C3N4与ZnGa2O4物质的量比为5:1)。边搅拌边向上述混合液中缓慢滴加氨水，使pH值为11.00，将混合溶液搅拌30min后，转移到50mL反应釜中，将其在180℃下反应24h，产物使用去离子水和无水乙醇进行多次洗涤，洗涤后的沉淀物放入烘箱在80℃下烘12h，即得到g-C3N4-ZnGa2O4纳米复合材料；
将材料制成旁热式元件，测得元件在室温下对0.01、0.1、1、10、50、100ppm三甲胺气体的最高灵敏度分别为1.3、2.6、4.2、4.7、8.7和10；对100ppm乙醇、丙酮、氨气、乙酸、乙醛、甲醛、苯、甲苯的灵敏度均小于1.2，元件对100ppm三甲胺灵敏度与对100ppm乙酸的灵敏度之比达到9.1，表明材料对三甲胺气体有高气敏选择性和低检出限。

Claims (3)

1.一种对三甲胺气体高气敏选择性的g-C3N4-ZnGa2O4纳米复合材料，其特征在于，该复合材料由平均粒径为15nm的ZnGa2O4纳米颗粒均匀附着在g-C3N4纳米片上构成；所述复合材料采用水热法制备，具体制备步骤如下：
(1)取10g三聚氰胺放于坩埚中，在马弗炉中以2.5℃/min的速率将温度升至550℃，并保温4小时。热处理后，得到黄色粉体，即为g-C3N4；
(2)称取物质的量比1：2的Zn(NO3)2·6H2O和Ga(NO3)3·xH2O放于烧杯中，并加入20-30mL去离子水，充分搅拌使其完全溶解；再称取一定量的g-C3N4放于上述溶液中，超声分散2-3小时，所述g-C3N4与ZnGa2O4物质的量比为0.1～5:1；边搅拌边向上述混合液中缓慢滴加氨水，使pH值为8.00-11.00，将混合溶液搅拌30min后，转移到50mL反应釜中，将其在150-180℃下反应12-24h，产物使用去离子水和无水乙醇进行洗涤，洗涤后的沉淀物放入烘箱在80℃下烘12h，即得到g-C3N4-ZnGa2O4纳米复合材料。
2.如权利要求1所述的g-C3N4-ZnGa2O4纳米复合材料，其特征在于，在步骤(2)中：所述g-C3N4与ZnGa2O4物质的量比为2:1。
3.如权利要求1所述的g-C3N4-ZnGa2O4纳米复合材料作为三甲胺气体敏感材料制作的气体传感器。
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