CN110255515B - 一种基于六方氮化硼纳米片的二氧化氮检测用气敏元件及其制备方法和应用 - Google Patents

一种基于六方氮化硼纳米片的二氧化氮检测用气敏元件及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于六方氮化硼纳米片的二氧化氮检测用气敏元件及其制备方法和应用，属于半导体材料技术领域。本发明以六方氮化硼纳米片作为气敏材料，利用六方氮化硼纳米片高导热率、低热膨胀系数、低介电常数、高化学稳定性、强高温抗氧化性和高比表面积的性质，以其制备的二氧化氮检测用气敏元件，除具有灵敏度高、选择性好、重复性佳的优点，还适合在高温条件下工作。实施例结果表明，本发明提供的气敏元件用于二氧化氮检测时，其响应时间为18s，恢复时间为13.5s，最佳工作温度为425℃。同时，本发明提供的制备方法操作简单，成本低廉，易于实现工业化生产。

Description

一种基于六方氮化硼纳米片的二氧化氮检测用气敏元件及其 制备方法和应用
技术领域
本发明涉及半导体材料技术领域，特别涉及一种基于六方氮化硼纳米片的二氧化氮检测用气敏元件及其制备方法和应用。
背景技术
二氧化氮(NO2)是一种有毒的空气污染物，人为产生的二氧化氮主要来自高温燃烧过程的释放，比如机动车尾气、锅炉废气的排放等。二氧化氮所带来的环境效应多种多样，二氧化氮不仅是酸雨、光化学烟雾的主要成因之一，还会影响湿地和陆生植物物种之间竞争与组成变化，降低大气能见度，并且能够导致地表水的酸化、富营养化(由于水中富含氮、磷等营养物藻类大量繁殖，从而导致水体溶解氧量下降、水质恶化、鱼类及其他生物大量死亡的现象)以及增加水体中有害于鱼类和其它水生生物的毒素含量。仅10ppm二氧化氮就会损害人体肺部甚至造成病变，因此，制备出高选择性、高灵敏度的二氧化氮气敏传感器对于环境保护和人体健康尤为重要。
目前在对二氧化氮的检测中，应用最广泛的是二氧化锡、三氧化钨、氧化铟等金属氧化物半导体材料，金属氧化物气体传感器作为“气—电”信息转换器件，同其它方法相比，具有快速、简便等优点，由于研究开发较早，现在已广泛用于空气质量检测、食品、香精、香水的质量评定及生产过程控制等领域。但是金属氧化物半导体的稳定性较差，受环境影响较大，故对气体选择性较差。
目前解决上述问题的方法有：通过对金属氧化物中进行贵金属掺杂，从而制备出二元、三元复合金属氧化物；或者是通过金属有机化学气相沉积、分子束外延等方法制备金属氧化物异质结来，从而提高金属氧化物气敏传感器的性能。但是这些解决方案存在着工艺繁琐、造价昂贵、无法大规模生产等缺点。决定气敏传感器性能的关键在于传感器中的气敏元件所用的气敏材料，因此对目前检测所用的气敏材料进行改良，是提高气敏传感器性能的有效手段。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种基于六方氮化硼纳米片的二氧化氮检测用气敏元件及其制备方法和应用。本发明提供的基于六方氮化硼纳米片的二氧化氮检测用气敏元件成本低、检测灵敏度高、重复性好、适合在高温下工作。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种基于六方氮化硼纳米片的二氧化氮检测用气敏元件，所述气敏元件表面设置有气敏材料层，所述气敏材料层中的气敏材料为六方氮化硼纳米片。
优选的，所述气敏材料层的厚度为0.1～1mm。
优选的，所述六方氮化硼纳米片的直径为1～10μm，厚度为1～50nm。
本发明提供了上述基于六方氮化硼纳米片的二氧化氮检测用气敏元件的制备方法，包括以下步骤：
(1)将所述气敏材料与溶剂混合后研磨，得到糊状浆料；
(2)将所述糊状浆料涂覆于气敏元件的表面并干燥，得到基于六方氮化硼纳米片的二氧化氮检测用气敏元件。
优选的，所述步骤(1)中的溶剂为无水乙醇或去离子水。
优选的，所述步骤(1)中气敏材料质量与溶剂体积的比为10mg：0.5～1mL。
优选的，所述步骤(2)中干燥的温度为50～70℃。
本发明还提供了上述基于六方氮化硼纳米片的二氧化氮检测用气敏元件在二氧化氮检测中的应用。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供了一种基于六方氮化硼纳米片的二氧化氮检测用气敏元件，本发明以六方氮化硼纳米片作为气敏材料，利用六方氮化硼纳米片高导热率、低热膨胀系数、低介电常数、高化学稳定性和高比表面积的性质，可以提高二氧化氮检测所用的气敏元件的气敏性能。
2、本发明提供的一种基于六方氮化硼纳米片的二氧化氮检测用气敏元件具有对二氧化氮检测灵敏度高、重复性好、选择性佳、响应恢复快的优点，并且适合在高温下工作，可以实现在汽车尾气处理或者是锅炉废气处理上的应用。
3、本发明提供了上述基于六方氮化硼纳米片的二氧化氮检测用气敏元件的制备方法，此法操作简单，成本低廉，易于实现工业化生产。
附图说明
图1为实施例1中六方氮化硼微粉和六方氮化硼纳米片的X射线衍射光谱图；
图2为实施例1所得六方氮化硼纳米片的TEM图；
图3为实施例1所得六方氮化硼纳米片的SEM图，其中(a)为5000倍放大下的六方氮化硼纳米片SEM图，(b)为10000倍放大下的六方氮化硼纳米片SEM图；
图4为实施例1、实施例2所得二氧化氮检测用气敏元件在不同温度下检测10ppm二氧化氮气体的灵敏度比较图；
图5为实施例1所得的二氧化氮检测用气敏元件在425℃时对10ppm二氧化氮气体的响应曲线；
图6为实施例3所得的二氧化氮检测用气敏元件在425℃时的气体选择性图；
图7为实施例4所得的二氧化氮检测用气敏元件在425℃时对2～100ppm二氧化氮气体的连续测试的灵敏度比较图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于六方氮化硼纳米片的二氧化氮检测用气敏元件，所述气敏元件表面设置有气敏材料层，所述气敏材料层中的气敏材料为六方氮化硼纳米片。
在本发明中，所述气敏材料层的厚度优选为0.1～1mm，更优选为0.2～0.8mm；所述六方氮化硼纳米片的直径优选为1～10μm，更优选为4～8μm，厚度优选为1～50nm，更优选为10～30nm。本发明对所述六方氮化硼纳米片的来源没有特殊的要求，使用本领域常规市售或自行制备的六方氮化硼纳米片即可。在本发明中，所述六方氮化硼纳米片的制备方法优选包括以下步骤：
(1)将六方氮化硼微粉与高锰酸钾粉末混合后研磨，得到混合粉末；
(2)将浓硫酸溶液和磷酸溶液混合，得到反应溶剂；
(3)将过氧化氢溶液和水混合后冷冻，得到混合溶液；
(4)将所述混合粉末与反应溶剂混合进行一次搅拌，之后加入所述混合溶液进行二次搅拌，搅拌完成后升至室温，得到反应完成液；
(5)将所述反应完成液依次进行离心、洗涤和干燥，得到六方氮化硼纳米片；
所述步骤(1)～(3)没有时间顺序的要求。
本发明将六方氮化硼微粉与高锰酸钾粉末混合后研磨，得到混合粉末。在本发明中，所述六方氮化硼微粉与高锰酸钾粉末的质量比优选为1：2～6，更优选为1：3～5。本发明对所述混合和研磨的方式没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的混合和研磨方式即可。
本发明将浓硫酸溶液和磷酸溶液混合，得到反应溶剂。在本发明中，所述浓硫酸溶液的质量浓度优选为95％，所述磷酸溶液的质量浓度优选为85％；所述浓硫酸溶液与磷酸溶液的体积比优选为8：1～2，更优选为8：1。
本发明将过氧化氢溶液和水混合后冷冻，得到混合溶液。在本发明中，所述水优选为去离子水；所述过氧化氢溶液的质量浓度优选为30％，所述过氧化氢溶液与水的体积比优选为1：6～20，更优选为1：10～15。在本发明中，所述冷冻的温度优选为0～4℃，更优选为4℃；所述冷冻的时间优选为12h。本发明通过冷冻，可以减缓反应速度，使得剥离出的六方氮化硼纳米片的尺寸更为均一。
完成上述操作后，本发明将所述混合粉末与反应溶剂混合进行一次搅拌，之后加入所述混合溶液进行二次搅拌，搅拌完成后升至室温，得到反应完成液。本发明优选使用磁力搅拌的方式进行一次搅拌和二次搅拌；所述一次搅拌的温度优选为70～78℃，时间优选为10～14h；一次搅拌完成后，本发明优选在冰水浴的条件下将一次搅拌后的溶液逐次少量倒入过氧化氢与水的混合溶液冻成的冰块中进行二次搅拌，所述二次搅拌的时间优选为1.5～2h。本发明通过在冰水浴的条件下进行搅拌可以使溶剂之间的化学反应放缓，能够有效的防止副反应的发生，使得剥离后的样品结晶质量更好，纯度更高。二次搅拌完成后，本发明优选将搅拌后的溶液静置在室温条件下进行自然升温，得到反应完成液。
得到反应完成液后，本发明优选将所述反应完成液依次进行离心、洗涤和干燥，得到六方氮化硼纳米片。在本发明中，所述离心的转速优选为3000～5000rpm，更优选为4000rpm，所述离心的时间优选为10～30min，更优选为15～25min；本发明通过离心除去反应完成液中的沉淀，得到上清液；在本发明中，所述洗涤用洗涤剂优选为乙醇和去离子水；本发明优选使用乙醇和去离子水交替对所述上清液进行洗涤，每次洗涤后在16000～20000rpm的转速下进行离心，直至上清液的pH>3。本发明优选使用真空干燥箱对所述洗涤后的上清液进行干燥，所述干燥的温度优选为45℃，时间优选为24h。本发明使用化学剥离的方式制备六方氮化硼纳米片，可以保证制得的纳米片尺寸均一可控，厚度低于2nm，并且该剥离过程可以不破坏六方氮化硼的结晶度。
在本发明中，所述六方氮化硼纳米片具有高导热率、低热膨胀系数、低介电常数、高化学稳定性和高比表面积的优点，涂覆于半导体元件表面可以提高二氧化氮检测用气敏元件的灵敏度和选择性，能够改善半导体气敏传感器稳定性差、受环境影响大的缺点。
本发明对所述气敏元件的来源没有特殊的要求，使用本领域常规市售的气敏元件即可。在本发明中，所述气敏元件优选包括基座、设置于在基座上的半导体元件、自上而下贯穿于半导体元件内部的加热线。在本发明中，所述气敏材料层具体设置于气敏元件的半导体元件表面。
在本发明中，所述基座的材质优选为塑料-金属电极基座，所述基座属于旁热式气体传感器配件。本发明对所述基座的具体形状没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知形状的基座即可。
在本发明中，所述半导体元件的材质优选为氧化铝陶瓷管或玻璃管，更优选为氧化铝陶瓷管；本发明对所述半导体元件的具体内径没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知内径的半导体元件即可。在本发明中，所述半导体元件表面附有一对金电极，每个金电极上附有一对铂线；所述铂线两端焊接在基座上。在本发明中，所述铂线分别将两个金电极连接到测量极。在本发明中，所述半导体元件属于旁热式气体传感器配件，由于旁热式气敏元件测量极与加热极分开，加热极不与气敏元件接触，可以避免回路之间的互相影响，进而提高气敏元件的稳定性和可靠性。
在本发明中，所述加热线的两端焊接在基座上，用来连接加热极。在本发明中，所述加热线的材质优选为镍铬合金加热线；本发明对所述加热线的长度、粗细没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知长度、粗细的加热线即可。在本发明中，所述加热线可以控制二氧化氮检测用气敏元件的工作温度。
本发明提供了上述基于六方氮化硼纳米片的二氧化氮检测用气敏元件的制备方法，包括以下步骤：
(1)将所述气敏材料与溶剂混合后研磨，得到糊状浆料；
(2)将所述糊状浆料涂覆于气敏元件的表面并干燥，得到基于六方氮化硼纳米片的二氧化氮检测用气敏元件。
本发明将所述气敏材料与溶剂混合后研磨，得到糊状浆料。在本发明中，所述溶剂优选为无水乙醇或去离子水，所述气敏材料质量与溶剂体积的比优选为10mg：0.5～1mL，更优选为10mg：0.6～0.8mL。本发明优选在玛瑙研钵中对所述气敏材料与溶剂进行研磨，所述研磨的时间优选为1～10min，更优选为5min。
得到糊状浆料后，本发明将所述糊状浆料涂覆在所述半导体元件的表面并干燥，得到基于六方氮化硼纳米片的二氧化氮检测用气敏元件。本发明对所述涂覆的方式没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的涂覆方式即可，在本发明实施例中，优选使用细毛笔将糊状浆料均匀的涂覆在半导体元件的表面。在本发明中，所述干燥的温度优选为50～70℃，更优选为60℃；所述干燥的时间优选为24～48h，更优选为24～36h；在本发明中，干燥后所述气敏材料层的厚度优选为0.1～1mm，更优选为0.5mm。
将所述糊状浆料涂覆于气敏元件的表面并干燥后，本发明优选对所述气敏元件进行后处理，所述后处理优选包括以下步骤：
将加热线插入到半导体元件中，然后将加热线和半导体元件水平焊接到基座上，之后进行老化处理。
本发明优选使用六根金属引线柱将加热线和半导体元件上的铂线焊接到基座上。
在本发明中，所述老化处理优选包括以下步骤：
将所述基于六方氮化硼纳米片的二氧化氮检测用气敏元件通直流电，在412.5℃条件下，老化1.5～2h。
在本发明中，所述直流电的电流优选为185mA；所述老化的时间优选为1.5～2h，更优选为1.6～1.8h。本发明通过老化处理，可以使气敏元件表面颗粒结合均匀，使元件在空气中的电阻趋于稳定，从而能得到较稳定精确的测试数据。
本发明还提供了上述基于六方氮化硼纳米片的二氧化氮检测用气敏元件在二氧化氮检测中的应用。本发明提供的基于六方氮化硼纳米片的二氧化氮检测用气敏元件用于二氧化氮检测时，具有良好的灵敏度和重复性，气敏性能受环境影响小。
下面结合实施例对本发明提供的基于六方氮化硼纳米片的二氧化氮检测用气敏元件及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
本实施例中基于六方氮化硼纳米片的二氧化氮检测用气敏元件的制备方法，包括以下步骤：
一、六方氮化硼纳米片气敏材料的制备：
(1)称取六方氮化硼微粉1g(粒径为10μm)和高锰酸钾粉末6g，研磨使其混合均匀；
(2)将120mL浓硫酸(质量浓度为95％)和15mL磷酸(质量浓度为85％)混合做反应溶剂；
(3)将过氧化氢18mL(质量浓度为30％)和去离子水120mL混合，溶液冷冻12h；
(4)将步骤(1)得到的混合粉末加入步骤(2)配好的混合酸反应溶剂中，将在75℃下进行磁力搅拌，使粉末与酸充分反应，加热搅拌12h后，将其加入到步骤(3)中过氧化氢和去离子水混合溶液冻成的冰块中，在冰水浴条件下继续磁力搅拌，待反应充分后，升至室温；
(5)将步骤(4)所得混合液在3000rpm离心15min，去除沉淀；
(6)将步骤(5)中得到的上清反复用乙醇和去离子水交替清洗，分别在18000rpm下离心15min，直到PH>3(约重复清洗3次)；
(7)将步骤(6)中得到的溶液放在真空干燥箱中45℃干燥24h，即得氮化硼纳米片。
分别对六方氮化硼微粉、剥离后得到的六方氮化硼纳米片进行X射线衍射，所得X射线衍射光谱图如图1所示。由图1可知，剥离后得到的样品的衍射角分别在2θ＝26.62°、44.35°以及55.10°处，分别对应了六方氮化硼的(002)、(101)、(004)晶面，说明剥离处理后得到的样品是六方氮化硼。剥离后得到的六方氮化硼纳米片的XRD衍射峰的半高宽比六方氮化硼微粉的半高宽小，可以推断出通过化学剥离法制得的六方氮化硼纳米片的结晶度很好，没有受到破坏。
使用透射电子显微镜对所得六方氮化硼纳米片进行分析，所得TEM图如图2所示。由图2可以看出，六方氮化硼纳米片呈片状结构，表面光滑平整。
对所得六方氮化硼纳米片进行扫描电镜分析，所得SEM图如图3所示。由图3可以看出，剥离后六方氮化硼纳米片明显变薄，厚度为1～30nm，直径为1～10μm。
二、基于六方氮化硼纳米片的二氧化氮检测用气敏元件的制备：
(1)将六方氮化硼纳米片置入玛瑙研钵中，加入溶剂充分研磨，得到糊状浆料；所述的溶剂为无水乙醇，其中溶剂：六方氮化硼纳米片为0.5mL：10mg；
(2)将步骤(1)所得的糊状浆料均匀涂敷在半导体元件的表面，控制涂覆厚度为0.5mm，然后在60℃条件下进行干燥，得到具有干燥涂层的半导体元件；
(3)将镍铬合金加热线插入步骤(2)中所得的半导体元件中，并用六根探针将半导体元件与加热线焊接到基座上，然后通直流电，在412.5℃条件下，老化2h，得到二氧化氮检测用气敏元件；
所述的半导体元件为氧化铝陶瓷管，陶瓷管表面附有一对金电极，每个金电极上附有一对铂线；所述的基座材料是塑料-金属电极基座。
三、基于六方氮化硼纳米片的二氧化氮检测用气敏元件的气敏性能测试：
利用静态气敏测试系统测定所得二氧化氮检测用气敏元件的气敏性能，设定二氧化氮气体含量为10ppm，测量所得二氧化氮检测用气敏元件在不同温度下的气敏性能。由图4可知，实施例1所得二氧化氮检测用气敏元件在425℃时对二氧化氮的检测灵敏度达到最高，因此所得气敏元件最佳工作温度为425℃。其中灵敏度的计算方法设定为S％＝(Rg-Ra)/Ra×100％，Ra为气敏元件在空气中的电阻值，Rg为气敏元件在待测气体与空气的混合气中的电阻值，S为灵敏度。由图5可知，实施例1所得二氧化氮检测用气敏元件在425℃时对二氧化氮气体具有较短的响应时间和恢复时间，其响应时间为18s，恢复时间为13.5s。
实施例2
本实施例与实施例1中的不同之处在于：采用平均直径为5μm，平均厚度为200nm的六方氮化硼微粉作为气敏材料，其他步骤与参数与实施例1中相同。利用静态气敏测试系统测试实施例2所得二氧化氮检测用气敏元件在不同温度下的气敏性能。由图4可知，实施例2所得二氧化氮检测用气敏元件在462.5℃时灵敏度达到最高，因此所得气敏元件最佳工作温度为462.5℃。
同时由图4可知，六方氮化硼微粉以及六方氮化硼纳米片虽然都对二氧化氮有响应，但是六方氮化硼纳米片在二氧化氮气体检测中的灵敏度比六方氮化硼微粉高出约4倍，并且最佳工作温度也更低(最佳工作温度降低可以降低使用成本)。这说明剥离后的六方氮化硼纳米片因片层变薄、比表面积增大，在导致气体检测灵敏度增加的同时也降低了气敏元件的工作温度。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于：在进行步骤三中气敏性能测试时，通入的气体分别为10ppm二氧化氮，100ppm一氧化碳，100ppm甲烷，100ppm甲醛，100ppm乙醇。测试温度设定为425℃，其他步骤与参数与实施例1相同。由图6可知，基于六方氮化硼纳米片的二氧化氮检测用气敏元件具有优异的选择性，这种良好的特性可以使其应用到比较复杂的气体环境中，材料的传感特性不会受到影响，能很好地起到检测二氧化氮的作用。
实施例4
本实施例与实施例1的不同之处在于：在进行步骤三中气敏性能测试时，通入的二氧化氮气体浓度分别为2ppm，5ppm，10ppm，20ppm，50ppm，100ppm。测试温度设定为425℃，其他步骤及参数与实施例1中相同。由图7可知，基于六方氮化硼纳米片的二氧化氮检测用气敏元件在连续测试时，灵敏度随浓度上升而上升，能够满足连续检测的需求。
由以上实施例可知，本发明提供的基于六方氮化硼纳米片的二氧化氮检测用气敏元件在用于二氧化氮气体检测时具有较高的灵敏度，优异的选择性，其响应时间为18s，恢复时间为13.5s，最佳工作温度为425℃，能够在高温下工作，可应用到汽车尾气检测装置以及锅炉废气排放检测装置中。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.基于六方氮化硼纳米片的二氧化氮检测用气敏元件在二氧化氮检测中的应用，所述气敏元件表面设置有气敏材料层，所述气敏材料层中的气敏材料为六方氮化硼纳米片；
所述气敏材料层的厚度为0.5mm；
所述六方氮化硼纳米片的直径为1～10μm，厚度为1～50nm；
所述基于六方氮化硼纳米片的二氧化氮检测用气敏元件的制备方法，包括以下步骤：
(1)将所述气敏材料与溶剂混合后研磨，得到糊状浆料；
(2)将所述糊状浆料涂覆于气敏元件的表面并干燥，得到基于六方氮化硼纳米片的二氧化氮检测用气敏元件。
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Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Highly sensitive and rapidly responding room-temperature NO2 gas sensors based on WO3 nanorods/sulfonated graphene nanocomposites;Tingting Wang et al.;《Nano Research》;20170727;第11卷;第794页第1栏第1段 *
Synthesis of boron nitride nanosheets with a few atomic layers and their gas-sensing performance;Liyang Lin et al.;《Ceramics International》;20150829;第42卷;摘要、Experimental details、第973页第2栏第1段、图 1-3 *
硼氮基复合材料的设计合成与性能研究;赵铁凯;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》;20141015(第10期);第21页第3.2.2节、第59页第5.3.3节、图5-7、图5-9、图表5-1 *

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