CN112666034A - 一种基于锡酸铜/二维碳化钛复合材料的有机腐蚀性气体传感器的制备方法 - Google Patents

一种基于锡酸铜/二维碳化钛复合材料的有机腐蚀性气体传感器的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于锡酸铜/二维碳化钛复合材料的有机腐蚀性气体传感器的制备方法，将CuCl2·2H2O和SnCl4·5H2O添加至Ti3C2溶液中，摩尔比为CuCl2·2H2O:SnCl4·5H2O:Ti3C2＝20:10:1～2:1:10；得到以Cu2SnO4修饰的Ti3C2，将其作为敏感材料采用滴涂法均匀涂覆于石英晶体微天平晶振的电极表面。所选用的Cu2SnO4具有良好的化学敏感性和热稳定性；Ti3C2是一种新兴的二维层状纳米材料，具有与石墨烯类似的大比表面积及良好导电性，其表面存在的丰富的官能团和缺陷位点可提升其对腐蚀性气体分子的吸附能力；二者复合能够有效提高气体传感器性能。

Description

一种基于锡酸铜/二维碳化钛复合材料的有机腐蚀性气体传 感器的制备方法
技术领域
本发明涉及一种有机腐蚀性气体传感器，具体涉及一种基于锡酸铜/二维碳化钛(Cu2SnO4/Ti3C2)复合材料的石英晶体微天平(QCM)气体传感器的制备方法，属于有机腐蚀性气体传感器和复合纳米材料技术领域。
背景技术
博物馆作为可移动文物收藏与展示的相对独立的空间，其环境条件的变化是引起馆藏文物劣化或损坏的主要原因。博物馆环境中污染物成分复杂，主要为藏展材料散发的甲酸、乙酸、甲醛、乙醛等，这些有机腐蚀性气体的浓度虽然较低，但其对文物长期暴露和保存有着明显影响。因此，加强博物馆保存环境监测、调控等工作，全面掌握博物馆保存环境对文物的腐蚀影响，进而有针对性的采取有效措施治理改善，是实现对珍贵文物预防性保护的重要途径。
气体传感器的运用是环境监测领域有效的技术手段之一，传感器的灵敏度与选择性是考核其性能好坏的关键指标，故气体传感器的研究重点在于气敏材料的选择。相较于单一材料，复合材料能够协同两种或多种材料的优点，有助于改善气体传感器的敏感性、选择性，弥补单一材料存在的不足。文献(Sensors and Actuators B:Chemical 306,127453,2020)报道了MgGa2O4/石墨烯复合材料对乙酸气体的敏感测性能，其以传感器的电阻变化为响应，实验结果表明，MgGa2O4/石墨烯复合材料对乙酸气体具有良好的气敏性。然而，该传感器难以实现博物馆环境中有机腐蚀性气体长期稳定的实时在线监测，对此，本发明以Cu2SnO4与类石墨烯结构的二维材料Ti3C2的复合材料作为敏感材料，合成了基于石英晶体微天平的有机腐蚀性气体传感器。
石英晶体微天平是一种质量型气体传感器，具有生产和检测成本低廉、结构微小简单、性质稳定、灵敏度高、可以在室温下进行实时监测等优点，在气体传感领域得到了广泛应用。另外，本发明所采用的三元金属氧化物Cu2SnO4相较于MgGa2O4，在合成中未涉及稀有元素，具有工艺成本低、操作简单等优势；同时，Ti3C2层与层之间大量可调控的空隙及其表面附着的—OH，—F或—O官能团使其对有机腐蚀性气体分子具有良好的吸附性。协同两者的优良性能，可使该复合材料在气体吸附与气体监测上具有广泛的应用前景。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种基于Cu2SnO4/Ti3C2的有机腐蚀性气体传感器的制备方法，该方法制备的气体传感器具有优异的气体敏感性，为博物馆环境中低浓度有机腐蚀性气体的实时在线监测提供了解决思路。
本发明的技术方案如下：
一种基于锡酸铜/二维碳化钛复合材料的有机腐蚀性气体传感器的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1)采用频率为1MHz～15MHz的AT切向镀银石英晶振片作为石英晶体微天平(QCM)气体传感器基底，使用之前分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗5.0min，氮气吹干备用；
2)称取4.0～6.0g钛碳化硅(Ti3SiC2)粉末，在磁力搅拌的条件下，将其加至150～250mL氢氟酸(HF)溶液中，进行蚀刻；处理后取出，用去离子水洗涤至pH＝5.0～7.0，于60～80℃下真空干燥0.5～4.0h得Ti3C2粉末；将Ti3C2粉末超声分散于去离子水中，配制0.001～0.2mol/L Ti3C2溶液；
3)将CuCl2·2H2O和SnCl4·5H2O添加至步骤2)制得的Ti3C2溶液中，滴加1.0mol/LNaOH溶液至pH＝9.0～13.0，混合均匀，制得摩尔比为CuCl2·2H2O:SnCl4·5H2O:Ti3C2＝20:10:1～2:1:10的分散液；将分散液加入聚四氟乙烯高压釜中于120～180℃下进行水热处理8.0～12.0h，所得反应物经离心、洗涤后，于60～80℃下真空干燥4.0～12.0h后，制得Cu2SnO4/Ti3C2复合材料。
4)称取步骤3)制得的Cu2SnO4/Ti3C2复合材料，将其加入去离子水中，超声分散0.5～6.0h，制得1.0mg/mL涂覆液，采用滴涂法将1～2μL涂覆液均匀涂覆于清洗干燥后的石英晶振片的电极表面，在40～80℃氮气氛围中烘干0.5～4.0h，即得所述有机腐蚀性气体传感器。
进一步，所述步骤3)中，按摩尔比，优选CuCl2·2H2O:SnCl4·5H2O:Ti3C2＝20:10:1。
本发明的有益效果：
1、本发明所选用的气敏材料Cu2SnO4是一种新兴三元金属氧化物，具有工艺成本低、操作简单等优势；作为基底材料的Ti3C2是一种类石墨烯二维纳米材料，层间存有大量大小可调控的空隙，同时表面附着有—OH，—F或—O官能团，二者的结合能够有效改善传感器的气敏性能；
2、本发明制备的基于石英晶体微天平的气体传感器，是一种质量型传感器，具有优异的气体敏感性，能够实现博物馆环境中低浓度有机腐蚀性气体分子的在线实时监测；
3、通过将本发明制备的QCM传感器应用于博物馆环境中有机腐蚀性气体浓度的监测，可以及时、准确的评估其对文物的影响程度，判定文物在当前环境的风险等级，有助于博物馆工作人员快速响应，采取针对性措施，最大程度地降低文物损害。
附图说明
图1是Cu2SnO4/Ti3C2修饰的QCM传感器对50ppb、100ppb、200ppb、500ppb甲酸气体响应信号的示意图；
图2是Cu2SnO4/Ti3C2修饰的QCM传感器对20ppb、50ppb、100ppb、200ppb乙酸气体响应信号的示意图；
图3是分三次注入10ppb甲酸或10ppb乙酸气体时，Cu2SnO4/Ti3C2修饰的QCM传感器响应信号随时间变化的关系曲线。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体描述。需要强调的是以下实施例仅用于对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此实施例。
实施例1
选择表面镀银的石英晶振片为AT切向，基频为12MHz，依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗5.0min，氮气吹干备用。
称取5.0g的Ti3SiC2粉末，在磁力搅拌的条件下，将其加至200mLHF溶液中，进行蚀刻；处理后取出，用去离子水洗涤至pH＝6.0，于80℃下真空干燥4.0h得Ti3C2粉末；称取33.6mgTi3C2粉末将其超声分散于100mL去离子水中，获得Ti3C2溶液；
按化学计量比2:1分别称取0.68g的CuCl2·2H2O和0.70g的SnCl4·5H2O，添加至上述Ti3C2溶液中，滴加1.0mol/L NaOH至pH为11.0，混合均匀，得分散液；将分散液加入聚四氟乙烯高压釜中于120℃下进行水热处理12.0h，所得反应物经离心、洗涤后，于60℃下真空干燥12.0h后，制得Cu2SnO4/Ti3C2复合材料。
称取0.1g Cu2SnO4/Ti3C2复合材料，将其加入100mL去离子水中，超声分散6.0h，得1.0mg/mL涂覆液。采用滴涂法将1μL涂覆液均匀涂覆于清洗干燥后的石英晶振片的电极表面，在60℃氮气氛围中烘干2.0h，即得所述有机腐蚀性气体传感器。
将所制得的气体传感器用于不同浓度甲酸气体的检测，测试结果如图1所示。可以看出，Cu2SnO4/Ti3C2复合材料修饰的QCM传感器对低浓度的甲酸气体具有明显的响应信号，说明Cu2SnO4/Ti3C2复合材料修饰的QCM传感器具有良好的灵敏性，可用于博物馆中低浓度甲酸气体的检测。
实施例2
选择表面镀银的石英晶振片为AT切向，基频为10MHz，依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗5.0min，氮气吹干备用。
称取4.0g的Ti3SiC2粉末，在磁力搅拌的条件下，将其加至160mLHF溶液中，进行蚀刻；处理后取出，用去离子水洗涤至pH＝7.0，于60℃下真空干燥4.0h得Ti3C2粉末；称取20.0mgTi3C2粉末将其超声分散于100mL去离子水中，获得Ti3C2溶液；
按化学计量比2:1分别称取0.34g的CuCl2·2H2O和0.35g的SnCl4·5H2O，添加至上述Ti3C2溶液中，滴加1.0mol/L NaOH至pH为10.0，混合均匀，得分散液；将分散液加入聚四氟乙烯高压釜中于120℃下进行水热处理8.0h，所得反应物经离心、洗涤后，于60℃下真空干燥8.0h后，制得Cu2SnO4/Ti3C2复合材料。
称取0.1g Cu2SnO4/Ti3C2复合材料，将其加入100mL去离子水中，超声分散4.0h，得1.0mg/mL涂覆液。采用滴涂法将1μL涂覆液均匀涂覆于清洗干燥后的石英晶振片的电极表面，在40℃氮气氛围中烘干1.0h，即得所述有机腐蚀性气体传感器。
将所制得的气体传感器对不同浓度的乙酸气体进行检测，测试结果如图2所示。可以看出，随着乙酸气体浓度的增加，石英晶振片频率变化增大，说明Cu2SnO4/Ti3C2复合材料修饰的QCM传感器对乙酸气体灵敏度高，适用于博物馆环境中有机酸性气体的检测。
实施例3
选择表面镀银的石英晶振片为AT切向，基频为12MHz，依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗5.0min，氮气吹干备用。
称取6.0g的Ti3SiC2粉末，在磁力搅拌的条件下，将其加至240mLHF溶液中，进行蚀刻；处理后取出，用去离子水洗涤至pH＝6.0，于80℃下真空干燥4.0h得Ti3C2粉末；称取0.1gTi3C2粉末将其超声分散于100mL去离子水中，获得Ti3C2溶液；
按化学计量比2:1分别称取1.02g的CuCl2·2H2O和1.05g的SnCl4·5H2O，添加至上述Ti3C2溶液中，滴加1.0mol/LNaOH至pH为11.0，混合均匀，得分散液；将分散液加入聚四氟乙烯高压釜中于180℃下进行水热处理12.0h，所得反应物经离心、洗涤后，于80℃下真空干燥12.0h后，制得Cu2SnO4/Ti3C2复合材料。
称取0.1g Cu2SnO4/Ti3C2复合材料，将其加入100mL去离子水中，超声分散6.0h，得1.0mg/mL涂覆液。采用滴涂法将1μL涂覆液均匀涂覆于清洗干燥后的石英晶振片的电极表面，在80℃氮气氛围中烘干4.0h，即得所述有机腐蚀性气体传感器。
将所制得的气体传感器用于有机腐蚀性气体的连续监测，测试结果如图3所示。可以看出，Cu2SnO4/Ti3C2复合材料修饰的QCM传感器对有机腐蚀性气体具有累积效应，随着甲酸或乙酸气体的添加，传感器的频率不断下降，说明Cu2SnO4/Ti3C2复合材料修饰的QCM传感器可用于博物馆中有机腐蚀性气体的实时在线监测。

Claims (2)

1.一种基于锡酸铜/二维碳化钛复合材料的有机腐蚀性气体传感器的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1)采用频率为1MHz～15MHz的AT切向镀银石英晶振片作为石英晶体微天平气体传感器基底，使用之前分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗5.0min，氮气吹干备用；
2)称取4.0～6.0g钛碳化硅(Ti3SiC2)粉末，在磁力搅拌的条件下，将其加至150～250mL氢氟酸(HF)溶液中，进行蚀刻；处理后取出，用去离子水洗涤至pH＝5.0～7.0，于60～80℃下真空干燥0.5～4.0h得Ti3C2粉末；将Ti3C2粉末超声分散于去离子水中，配制0.001～0.2mol/L Ti3C2溶液；
3)将CuCl2·2H2O和SnCl4·5H2O添加至步骤2)制得的Ti3C2溶液中，滴加1.0mol/L NaOH溶液至pH＝9.0～13.0，混合均匀，制得摩尔比为CuCl2·2H2O:SnCl4·5H2O:Ti3C2＝20:10:1～2:1:10的分散液；将分散液加入聚四氟乙烯高压釜中于120～180℃下进行水热处理8.0～12.0h，所得反应物经离心、洗涤后，于60～80℃下真空干燥4.0～12.0h后，制得Cu2SnO4/Ti3C2复合材料。
4)称取步骤3)制得的Cu2SnO4/Ti3C2复合材料，将其加入去离子水中，超声分散0.5～6.0h，制得1.0mg/mL涂覆液，采用滴涂法将1～2μL涂覆液均匀涂覆于清洗干燥后的石英晶振片的电极表面，在40～80℃氮气氛围中烘干0.5～4.0h，即得所述有机腐蚀性气体传感器。
2.如权利要求1所述的基于锡酸铜/二维碳化钛复合材料的有机腐蚀性气体传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，按摩尔比，CuCl2·2H2O:SnCl4·5H2O:Ti3C2＝20:10:1。
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