CN110927220A

CN110927220A - 用于检测氨气的气敏材料的制备方法及气体传感器

Info

Publication number: CN110927220A
Application number: CN201911261883.0A
Authority: CN
Inventors: 徐红艳; 孙旭辉; 吴庆乐; 杨宵
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2020-03-27

Abstract

本发明提供了一种用于检测氨气的气敏材料的制备方法及气体传感器，制备方法包括以下步骤：称取羧基化碳纳米管，并加入溶剂，以形成第一混合液；向第一混合液中加入分散剂，并进行超声分散处理，以形成第二混合液；对第二混合液进行离心沉降，离心沉降处理后的上层液体为气敏材料；其中，分散剂包括曲拉通和十二烷基硫酸钠，分散剂占羧基化碳纳米管的质量百分比为2％‑55％，气敏材料在室温下可检测到ppb级的氨气气体。本发明的制备方法，通过添加曲拉通和十二烷基硫酸钠作为分散剂，既能解决气敏材料的分散性问题，同时又不影响气敏材料的本身的测试性能，通过该制备方法制备的气敏材料可以在室温下检测到ppb级的氨气气体。

Description

用于检测氨气的气敏材料的制备方法及气体传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种用于检测氨气的气敏材料的制备方法和用于检测氨气的气体传感器。

背景技术

碳纳米管作为新型的纳米材料其应用十分广泛，在气敏材料领域也是研究的非常多，但是纯碳纳米管测试氨气响应很弱，在高浓度的氨气氛围中有响应，在低浓度下对氨气无响应。

现有技术中用于室温检测低浓度的氨气常用的材料为聚苯胺，但是聚苯胺属于高分子材料，非常不稳定，且随着测试时间的延长，聚苯胺的导电性逐渐变差。即电阻随着测试时间的延长，逐渐增大，直至增大到无穷大，因此不能用于氨气材料的长期稳定性测试。因此，需要开发在室温下检测低浓度氨气的纳米材料。而纳米材料又很容易团聚，使得其应用范围受限，在有些使用中需要纳米材料溶液具有较好的分散性。

纳米材料常见的分散方法有以下几种：

1、电分散法：由于纳米粒子表面存在等电点，通过调节PH值使得等电点的PH值相差最大时，可增加纳米粒子分散的稳定性，但是该方法只适合在水中分散。

2、化学分散法：即对纳米粒子进行表面改性，利用偶联剂、表面活性剂、分散剂等，对纳米粒子进行表面改性处理，改善纳米粒子的分散性。

3、物理分散法：使用高速剪切分散机的高速搅拌，用三辊机、研磨机的研磨分散，或者是球磨机的球磨以及超声分散等方法来实现纳米材料的分散。

其中，化学分散方法是一种运用的比较多的方法，因为化学方法相对来说分散效果最好，但是化学分散方法中加入了一定量的表面活性剂，使得纳米材料在某些应用领域的使用性能得到限制，因此，寻找一种既能解决纳米材料的分散性又不影响纳米材料本身性能的分散剂是非常重要的。

发明内容

本发明的一个目的是要提供一种用于检测氨气的气敏材料的制备方法，在该制备方法中，通过加入合适的分散剂，既能解决气敏材料的分散性问题，即解决了利用该气敏材料封装成的气体传感器的零点电阻的一致性问题，同时又不影响气敏材料的本身的测试性能，通过该制备方法制备的气敏材料可以在室温下检测到ppb级的氨气气体。

特别地，本发明提供了一种用于检测氨气的气敏材料的制备方法，包括以下步骤：

称取羧基化碳纳米管，并加入溶剂，以形成第一混合液；

向所述第一混合液中加入分散剂，并进行超声分散处理，以形成第二混合液；

对所述第二混合液进行离心沉降，离心沉降处理后的上层液体为所述气敏材料；

其中，所述分散剂包括曲拉通和十二烷基硫酸钠，所述分散剂占所述羧基化碳纳米管的质量百分比为2％-55％，所述气敏材料在室温下可检测到ppb级的氨气气体。

进一步地，在形成所述第一混合液的步骤中，称取所述羧基化碳纳米管的质量为1mg-10mg，加入所述溶剂的量为1ml-10ml。

进一步地，所述溶剂为去离子水、DMF和乙醇中的一种或多种。

进一步地，在所述分散剂中，所述曲拉通占所述羧基化碳纳米管的质量百分比为10％-50％，所述十二烷基硫酸钠占所述羧基化碳纳米管的质量百分比为2％-5％。

进一步地，在形成所述第二混合液的步骤中，超声分散的时间为10min-60min。

进一步地，对所述第二混合液进行离心沉降的步骤中，离心速度为5000rmp-10000rmp。

本发明还提供一种用于检测氨气的气体传感器，包括：

基片；

至少两个电极，设在所述基片的表面；

根据上述实施例的制备方法制备的气敏材料，涂覆在所述基片表面，且覆盖至少两个所述电极，以在老化处理后封装成所述气体传感器。

进一步地，所述基片为PCB基底、陶瓷基底、硅基底和PET基底中的一种。

本发明的用于检测氨气的气敏材料的制备方法，在该制备方法中，添加曲拉通和十二烷基硫酸钠作为分散剂，既能解决气敏材料的分散性问题，同时又不影响气敏材料的本身的测试性能，通过该制备方法制备的气敏材料在封装成气体传感器后可以在室温下检测到ppb级的氨气气体。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明实施例的用于检测氨气的气敏材料的制备方法的流程图；

图2是本发明不加分散剂的气体传感器对氨气的响应曲线图；

图3是本发明加入分散剂的气体传感器对氨气的响应曲线图；

图4是本发明加入分散剂的六个气体传感器对氨气的响应曲线图。

具体实施方式

本发明实施例的用于检测氨气的气敏材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、称取羧基化碳纳米管，并加入溶剂，以形成第一混合液；

S2、向第一混合液中加入分散剂，并进行超声分散处理，以形成第二混合液；

S3、对第二混合液进行离心沉降，离心沉降处理后的上层液体为气敏材料。

其中，分散剂包括曲拉通(曲拉通的成分为：聚氧乙烯-8-辛基苯基醚)和十二烷基硫酸钠，气敏材料在室温下可检测到ppb级的氨气气体。

具体来说，参见图1，在本发明实施例的用于检测氨气的气敏材料的制备方法中，首先，可以称取羧基化碳纳米管，羧基化碳纳米管相对于纯碳纳米管分散性更好。并向羧基化碳纳米管中加入溶剂，通过振荡或者超声处理可以得到第一混合液。然后，向第一混合液中加入分散剂，分散剂主要包括曲拉通和十二烷基硫酸钠，分散剂占羧基化碳纳米管的质量百分比为2％-55％。在加入分散剂后，可以利用细胞粉碎机对其进行超声分散处理，分散处理后可以得到第二混合液。最后，通过离心机可以对第二混合液进行离心沉降，离心沉降处理后，留下上层液体，即可得到本发明制备的气敏材料。

本发明的上述制备方法，只需要按照正常的配置过程加入溶剂和分散剂，进行超声分散，然后通过离心处理即可制备出用于检测氨气的气敏材料。在本发明的用于检测氨气的气敏材料的制备方法中，通过添加曲拉通和十二烷基硫酸钠作为分散剂，很好地解决了气敏材料的分散性问题，即解决了利用该气敏材料封装成的气体传感器的零点电阻的一致性问题，同时还能提高气敏材料的测试性能，通过该制备方法制备的气敏材料可以在室温下检测到ppb级的氨气气体。在本发明的制备方法中，通过加入上述分散剂，有效提高了测试氨气的响应灵敏度。

在本发明的一些具体实施方式中，称取羧基化碳纳米管的质量为1mg-10mg，加入溶剂的量为1ml-10ml。溶剂可以采用去离子水、DMF和乙醇中的一种或多种。根据本发明的一个优选实施例，在分散剂中，曲拉通占羧基化碳纳米管的质量百分比为10％-50％，十二烷基硫酸钠占羧基化碳纳米管的质量百分比为2％-5％。

根据本发明的一个实施例，在形成第二混合液的步骤中，超声分散的时间为10min-60min。对第二混合液进行离心沉降的步骤中，离心速度为5000rmp-10000rmp。

本发明通过该制备方法制备出的气敏材料在封装成传感器后对其性能进行了测试，参见图2至图4，其中，图2为本发明不加分散剂的气体传感器对氨气的响应曲线图，从图2可以看出，不加分散剂的气敏材料，其在封装成气体传感器后，在常温条件下，测试了500ppb、1ppm、3ppm、5ppm、10ppm、20ppm六个浓度的氨气气体，随着氨气气体浓度的增加，响应逐渐增大，且有浓度梯度，该气体传感器可以检测到3ppm以上的浓度，但对3ppm以下的浓度无响应，20ppm的响应值大概为4.5％。图3为本发明加入分散剂的气体传感器对氨气的响应曲线图，在与图2测试条件相同的情况下，加入分散剂制备的气敏材料封装成的气体传感器对氨气进行响应测试时，同样测试了500ppb、1ppm、3ppm、5ppm、10ppm、20ppm六个浓度，从图3中可以看出随着氨气浓度的增加气体传感器的响应值逐渐增大，且有浓度梯度。并且加入分散剂后制备的气敏材料测试氨气可以检测到500ppb(即0.5ppm)的响应，检测下限可以达到ppb级，测试氨气气体20ppm的响应值可以达到11.7％。因此，在相同浓度等其他相同条件下，比不加曲拉通的气敏材料，气体传感器的测试响应值增大，且响应灵敏度也提高了。图4中为本发明加入分散剂的六个气体传感器对氨气的响应曲线图，图4中测试了基于本发明的制备方法制备的气敏材料封装成的六个气体传感器的测试性能，从图4中，可以看出，该气体传感器测试氨气的一致性非常好。

总而言之，本发明的用于检测氨气的气敏材料的制备方法，在该制备方法中，添加曲拉通与十二烷基硫酸钠作为分散剂，既能解决气敏材料的分散性问题，同时又不影响气敏材料的本身的测试性能，通过该制备方法制备的气敏材料可以在室温下检测到ppb级的氨气气体。

本发明还提供一种用于检测氨气的气体传感器主要由基片、至少两个电极和气敏材料组成。其中，至少两个电极安装在基片的表面，通过上述实施例的制备方法制备的气敏材料，涂覆在带有电极的基片表面，并且覆盖至少两个电极，在将气敏材料涂覆在带有电极的基片之后，进行老化处理，老化处理后可以进行封装前的电阻测试，本发明制备的气敏材料由于具有良好的分散性，因此，能够很好地解决了气体传感器的零点电阻的一致性问题。最后将老化处理后的涂覆有气敏材料的基片进行封装以封装成气体传感器。基片可以采用PCB基底、陶瓷基底、硅基底和PET基底中的一种。当然本申请的气体传感器的其他结构以及工作原理对于本领域技术人员而言都是可以理解并且容易实现的，因此不再详细描述。

本发明通过该制备方法制备出的气敏材料在封装成传感器后对其性能进行了测试，参见图2至图4，其中，图2为本发明不加分散剂的气体传感器对氨气的响应曲线图，从图2可以看出，不加分散剂的气敏材料，其在封装成气体传感器后，在常温条件下，测试了500ppb、1ppm、3ppm、5ppm、10ppm、20ppm六个浓度的氨气气体，随着氨气气体浓度的增加，响应逐渐增大，且有浓度梯度，该气体传感器可以检测到3ppm以上的浓度，但对3ppm以下的浓度无响应，20ppm的响应值大概为4.5％。图3为本发明加入分散剂的气体传感器对氨气的响应曲线图，在于图2测试条件相同的情况下，加入分散剂制备的气敏材料封装成的气体传感器对氨气进行响应测试时，同样测试了500ppb、1ppm、3ppm、5ppm、10ppm、20ppm六个浓度，从图3中可以看出随着氨气浓度的增加气体传感器的响应值逐渐增大，且有浓度梯度。并且加入分散剂后制备的气敏材料测试氨气可以检测到500ppb(即0.5ppm)的响应，检测下限可以达到ppb级，测试氨气气体20ppm的响应值可以达到11.7％。因此，在相同浓度等其他相同条件下，比不加分散剂的气敏材料，气体传感器的测试响应值增大，且响应灵敏度也提高了。图4中为本发明加入分散剂的六个气体传感器对氨气的响应曲线图，图4中测试了基于本发明的制备方法制备的气敏材料封装成的六个气体传感器的测试性能，从图4中，可以看出，该气体传感器测试氨气的一致性非常好。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims

1.一种用于检测氨气的气敏材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

称取羧基化碳纳米管，并加入溶剂，以形成第一混合液；

2.根据权利要求1所述的用于检测氨气的气敏材料的制备方法，其特征在于，在形成所述第一混合液的步骤中，称取所述羧基化碳纳米管的质量为1mg-10mg，加入所述溶剂的量为1ml-10ml。

3.根据权利要求1所述的用于检测氨气的气敏材料的制备方法，其特征在于，所述溶剂为去离子水、DMF和乙醇中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的用于检测氨气的气敏材料的制备方法，其特征在于，在所述分散剂中，所述曲拉通占所述羧基化碳纳米管的质量百分比为10％-50％，所述十二烷基硫酸钠占所述羧基化碳纳米管的质量百分比为2％-5％。

5.根据权利要求1所述的用于检测氨气的气敏材料的制备方法，其特征在于，在形成所述第二混合液的步骤中，超声分散的时间为10min-60min。

6.根据权利要求1所述的用于检测氨气的气敏材料的制备方法，其特征在于，对所述第二混合液进行离心沉降的步骤中，离心速度为5000rmp-10000rmp。

7.一种用于检测氨气的气体传感器，其特征在于，包括：

基片；

至少两个电极，设在所述基片的表面；

根据权利要求1-6中任一项所述的用于检测氨气的气敏材料，涂覆在所述基片表面，且覆盖至少两个所述电极，以在老化处理后封装成所述气体传感器。

8.根据权利要求7所述的用于检测氨气的气体传感器，其特征在于，所述基片为PCB基底、陶瓷基底、硅基底和PET基底中的一种。