CN115182073A - 一种气敏碳纳米洋葱-金属氧化物多孔纤维及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种气敏碳纳米洋葱‑金属氧化物多孔纤维及其制备方法，属于传感材料领域。所述多孔纤维由碳纳米洋葱和金属氧化物复合而成，并具有纳米尺寸和多孔结构，纤维直径平均为1150‑300nm，表面孔径4‑15nm，比表面积60‑130m2/g，并采用静电纺丝法进行制备，步骤如下：S1.配制静电纺丝前驱体溶液：将高分子聚合物、碳纳米洋葱、金属前驱体加入到有机溶剂中，搅拌溶解分散后得到前驱体胶体溶液；S2.静电纺丝法制备碳纳米洋葱‑金属氧化物纳米复合纤维：将胶体溶液进行静电纺丝，得到纳米复合纳米纤维；S3.将复合纳米纤维在空气中进行煅烧，得到碳纳米洋葱‑金属氧化物纳米多孔纤维材料。本发明提高了气敏材料的气体传感性能。
Description
技术领域
本发明属于传感材料领域，具体涉及一种气敏碳纳米洋葱-金属氧化物多孔纤维及其制备方法。
背景技术
随着智能传感技术的飞速发展，以金属氧化物半导体材料为敏感层的气体传感器因其成本低、稳定性高、易于集成等优势，在开发面向各种有害气体检测的气体传感器方面发挥了重要作用。金属氧化物半导体气敏材料与待测气体发生界面催化氧化反应，从而使得材料的电阻发生变化，通过测量电阻等变化可以实现对有害气体的实时监测。
然而，虽然金属氧化物半导体材料在一定条件下才能与气体发生反应，但其电阻过高，载流子迁移速率小，从而导致检测困难。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明旨在提供一种气敏碳纳米洋葱-金属氧化物多孔纤维及其制备方法，采用静电纺丝法合成碳纳米洋葱和金属氧化物的纳米多孔复合纤维材料，并应用于传感器中，有效地降低气体检测工作能耗，同时碳纳米洋葱-金属氧化物纳米多孔复合纤维材料具有较大的比表面积和分子活性位点，提高选择性气体分子的吸附效果，提高传感器的气敏性能。
为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：
本发明实施例提供了一种气敏碳纳米洋葱-金属氧化物多孔纤维，由碳纳米洋葱和金属氧化物复合而成，并具有纳米尺寸和多孔结构，其中，纤维直径平均为150-300nm，多孔结构的表面孔径4-15nm，比表面积60-130m2/g。碳纳米洋葱在最终多孔复合纤维中的含量为0.5-3wt％。
碳纳米洋葱是富勒烯家族中一种石墨化的零维碳材料，具有高比表面积、高导电率、高的热稳定性以及封闭稳定的结构。通过将碳纳米洋葱与气敏材料的复合，实现材料优势互补，从而提升气体传感性能。
本发明实施例还提供了一种如上所述的气敏碳纳米洋葱-金属氧化物多孔纤维的制备方法。本发明实施例在所述多孔复合纤维材料的制备中，采用静电纺丝法，并在静电纺丝法中引入造孔剂。通过造孔剂，赋予材料多孔特性，提升材料的比表面积、孔隙率和气体扩散效率，从而提高气体-固体界面反应机率和气体扩散效果。具体地，在纺丝的前驱液中加入高分子聚合物、碳纳米洋葱和金属氧化物前驱体，通过静电纺丝法得到均匀的纳米纤维复合材料，然后通过煅烧处理得到的多孔碳纳米洋葱-金属氧化物复合材料。
所述碳纳米洋葱-金属氧化物纳米多孔纤维采用静电纺丝法进行制备，具体合成过程是将有机高分子造孔剂、碳纳米洋葱、半导体金属氧化物前驱体分散或者溶解在有机溶剂中，形成均匀的胶体溶液；通过静电纺丝法得到均匀的有机无机复合纤维，经过进一步空气中煅烧后得到碳纳米洋葱-金属氧化物多孔复合纤维材料，该复合材料随着金属氧化物成分的改变，可以实现对不同气体传感响应，制备过程简单、适用于大量合成、材料导电性好、气敏性能优良十分适合气体传感敏感材料的工业化生产。
所合成的碳纳米洋葱-金属氧化物纳米多孔纤维材料，质量轻密度小，具有较低的电阻，可以有效地降低工作能耗，同时还具有较大的比表面积和分子活性位点，可以为气体分子吸附提供更多的活性位点。
具体地，所述气敏碳纳米洋葱-金属氧化物多孔纤维的制备方法包括以下步骤：
S1.配制静电纺丝前驱体溶液。将高分子聚合物、碳纳米洋葱、金属前驱体加入到有机溶剂中，搅拌溶解分散后得到前驱体胶体溶液。本步骤中，一方面引入了导电性好、比表面积高、表面活性位点丰富的碳纳米洋葱；另一方面，引入了高分子聚合物进行造孔，提升材料内部的连通率，增加气体分子和材料之间的反应效率。
S2.采用静电纺丝法制备碳纳米洋葱-金属氧化物纳米复合纤维。将所述胶体溶液进行静电纺丝，得到碳纳米洋葱和金属氧化物的纳米纤维。本步骤中，采用静电纺丝法合成，具有简单高效且得到的材料均一性好等特点。
S3.将所述纳米纤维在空气中进行煅烧，得到碳纳米洋葱-金属氧化物纳米多孔纤维材料。
其中，步骤S1中，所述的高分子聚合物为PVP(聚乙烯吡咯烷酮)、PEO-b-PS(聚环氧乙烷-b-聚苯乙烯)、PS-b-P2VP(聚苯乙烯-b-聚(2-乙烯基吡啶))、F127(聚环氧乙烯-聚环氧丙烯-聚环氧乙烯)、P123(聚环氧乙烯-聚环氧丙烯-聚环氧乙烯)中的一种，分子量为1～150万；所述金属前驱体为SnCl4、WCl6、FeCl3、Zn(CH3COO)2中的一种；所述有机溶剂为二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜(DMSO)中的一种。且当高分子聚合物为PEO-b-PS，溶剂为DMF时，PEO-b-PS和DMF的质量比为：20～50；当高分子聚合物为PEO-b-PS，金属前驱体为WCl6时，WCl6与PEO-b-PS的质量比为3～6。
所述的高分子聚合物的浓度为0.015～0.04g/mL；金属前驱体盐的浓度为0.05～0.2g/L；碳纳米洋葱的浓度为0.01～0.06g/L。
步骤S2中，静电纺丝的技术参数如下：纺丝针头与金属收集器之间的距离为5～12cm；纺丝的电压为12～20KV；给液速度为0.5～1.5mL/h；环境湿度条件为30～50％；环境温度为20～30℃；金属收集器的自转速度为300～700r/min。
步骤S3中，所述的煅烧条件为空气下350～450℃时0.5～3h，升温速率为1～10℃/min。
采用所制备的气敏碳纳米洋葱-金属氧化物多孔纤维制备气体传感器。具体地，传感器制备过程如下：将所述气敏碳纳米洋葱-金属氧化物纳米多孔纤维与无水乙醇混合研磨得到糊状液体，将糊状液体均匀涂覆在带有两个金电极的Al2O3陶瓷管上，于烘箱中干燥后焊接在插卡式基座上，插入Ni-Cr加热丝，于老化台老化后进行气体传感测试。
上述制备过程中，所述气敏碳纳米洋葱-金属氧化物纳米多孔纤维与无水乙醇的量分别为20～50mg和0.5～1.5mL。所述的烘箱干燥温度为70～10℃，老化温度为150～300℃。
对所制备的气体传感器进行性能测试，结果显示，所述气敏碳纳米洋葱-金属氧化物纳米纤维对多种气体都能显示很好的响应值性能，响应时间时间小于30s，响应值大于15。
通过所述气敏碳纳米洋葱-金属氧化物多孔纤维的制备方法可以合成各种金属氧化物半导体材料与碳纳米洋葱的复合纳米纤维，碳纳米洋葱一方面能够大幅度降低报导体金属氧化物的导电性能，同时还能够促进气体在纳米纤维表面的吸附，有利于提高气固表面表面催化反应。另一方面，其一维(1-D)纤维状形貌有利于载流子在气敏器件中传输，同时1-D纤维制成的气敏薄膜还可以形成堆积孔(通常为大孔，即孔径大于50nm)，加上纤维自身的纳米孔结构(孔径4-15nm)，从而使得气敏薄膜具有多级孔道结构，有利于气敏传感过程气体分子的扩散和吸附，提高气体与器件的气固界面作用几率，提升气敏响应性能。由此可见，本发明实施例所提供的气敏碳纳米洋葱-金属氧化物多孔纤维及其制备方法，改善了单一半导体金属氧化物的高电阻和低比表面积的缺陷，通过引入碳纳米洋葱来增加材料的导电性，通过加入高分子聚合物来制备多孔结构增加比表面积，同时碳纳米洋葱和金属氧化物界面的能带杂化能够进一步优化气体传感性能；合成方法是简单高效的静电纺丝法，得到的材料的均一性好，适用于大规模生产。
当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是本发明实施例1的气敏碳纳米洋葱-金属氧化物纳米多孔复合纤维的SEM图；
图2是本发明实施例2的气敏碳纳米洋葱-金属氧化物纳米多孔复合纤维的SEM图；
图3是本发明实施例3的气敏碳纳米洋葱-金属氧化物纳米多孔复合纤维的SEM图；
图4是本发明实施例4的气敏碳纳米洋葱-金属氧化物纳米多孔复合纤维的SEM图；
图5是本发明实施例5的气敏碳纳米洋葱-金属氧化物纳米多孔复合纤维的SEM图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征也可以相互组合。
实施例1
本实施例提供了一种气敏碳纳米洋葱-氧化钨多孔纤维及其制备方法，如图1所示，所述多孔纤维由碳纳米洋葱和氧化钨复合而成，并具有纳米尺寸和多孔结构，纤维直径平均为180nm，表面孔径14.6nm，比表面积75m2/g。碳纳米洋葱在多孔纤维中的含量为0.5-3wt％。
所述碳纳米洋葱-氧化钨纳米多孔纤维采用如下步骤进行制备：
S1.配制DMF：WCl6：碳纳米洋葱：PEO114-b-PS163(分子量：17000g/mol)质量比为30：4：2：1的溶液，搅拌均匀得到胶体溶液；
S2.将得到的胶体溶液通过静电纺丝得到纳米复合纤维，静电纺丝的条件为：纺丝针头与金属收集器之间的距离为10cm；纺丝的电压为15KV；给液的速度为1mL/h；环境湿度为40％；环境温度为25℃；金属收集器的自转速度为50r/min；
S3.将得到的纳米复合纤维于空气中在400℃煅烧1h，升温速率为5℃/min，得到碳纳米洋葱-氧化钨纳米多孔复合纤维。
将本实施例的碳纳米洋葱-氧化钨多孔纤维应用于制备气体传感器，具体制备过程如下：将30mg的碳纳米洋葱-氧化钨多孔纤维放于研钵中，加入1mL无水乙醇，研磨成糊状；再将糊状液体均匀地涂覆在带有一对金电极的Al2O3陶瓷管上，于80℃烘箱中干燥固化；最后将得到的Al2O3陶瓷管焊接在插卡式基座上，内部插入Ni-Cr合金加热丝焊接在插卡式基座上，再置于老化台上在250℃下老化2天，得到气体传感器。
所述气敏碳纳米洋葱-氧化钨多孔纤维在传感器上所形成的气敏薄膜，1-D纤维制成的气敏薄膜还可以形成堆积孔(通常为大孔，即孔径大于50nm)，加上纤维自身的纳米孔结构(孔径4-15nm)，从而使得气敏薄膜具有多级孔道结构，有利于气敏传感过程气体分子的扩散和吸附。
对所述气体传感器进行性能测试，性能表征结果如下：以合成的碳纳米洋葱和氧化钨纳米多孔纤维为敏感材料，对50ppm硫化氢的气敏响应值(即器件在空气中的电阻与在待测气中的电阻之比值)达到260，响应时间10s，恢复时间25s。
实施例2
本实施例提供了一种气敏碳纳米洋葱-氧化锌多孔纤维及其制备方法，如图2所示，所述多孔纤维由碳纳米洋葱和氧化锌复合而成，并具有纳米尺寸和多孔结构，纤维直径平均为150nm，表面孔径13nm，比表面积62m2/g。
所述碳纳米洋葱-氧化锌纳米多孔纤维采用如下步骤进行制备：
S1.配制DMF：Zn(CH3COO)2：碳纳米洋葱：PVP(分子量为30000g/mol)质量比为20：3：2：1的溶液，搅拌均匀得到胶体溶液；
S2.将得到的胶体溶液通过静电纺丝得到碳纳米洋葱-氧化锌纳米复合纤维，静电纺丝的条件为：纺丝针头与金属收集器之间的距离为5cm；纺丝的电压为12KV；给液的速度为0.5mL/h；环境湿度为20％；环境温度为20℃；金属收集器的自转速度为300r/min；
S3.将得到的纳米纤维于空气中350℃煅烧3h，升温速率为1℃/min,得到碳纳米洋葱-氧化锌纳米复合纤维。
将本实施例的碳纳米洋葱-氧化锌多孔纤维应用于制备气体传感器，具体制备过程如下：将20mg所制备的碳纳米洋葱-金属氧化物多孔纤维放于研钵中，加入0.5mL无水乙醇，研磨成糊状；再将糊状液体均匀地涂覆在带有一对金电极的Al2O3陶瓷管上，于70℃烘箱中干燥固化；将得到的Al2O3陶瓷管焊接在插卡式基座上，内部插入Ni-Cr合金加热丝焊接在插卡式基座上；最后将器件置于老化台上在150℃下老化2天，得到气体传感器。
对所述气体传感器进行性能测试，性能表征结果如下：以合成的碳纳米洋葱和氧化锌纳米纤维复合材料为敏感材料，对50ppm乙醇的气敏响应值达到38，响应时间13s，恢复时间53s。
实施例3
本实施例提供了一种气敏碳纳米洋葱-氧化锡多孔纤维，如图3所示，所述多孔纤维由碳纳米洋葱和氧化锡复合而成，并具有纳米尺寸和多孔结构，纤维直径平均为200nm，表面孔径11.7nm，比表面积105m2/g。
所述碳纳米洋葱-氧化锡纳米多孔纤维采用如下步骤进行制备：
S1.配制DMF：SnCl4：碳纳米洋葱：PS100-b-P2VP52(分子量为：16000g/mol)质量比为50：6：2：1的溶液，搅拌均匀得到胶体溶液；
S2.将得到的胶体溶液通过静电纺丝得到碳纳米洋葱-氧化锡纳米复合纤维，静电纺丝的条件为：纺丝针头与金属收集器之间的距离为12cm；纺丝的电压为20KV；给液的速度为1.5mL/h；环境湿度为40％；环境温度为30℃；金属收集器的自转速度为700r/min；
S3.将到的纳米纤维于空气中450℃煅烧0.5h，升温速率为10℃/min，碳纳米洋葱-氧化锡纳米复合纤维。
将本实施例的气敏碳纳米洋葱-氧化锡多孔纤维应用于制备气体传感器，具体制备过程如下：将50mg的得到的煅烧后的纳米纤维于研钵中，加入1.5mL无水乙醇，研磨成糊状；将得到的糊状液体均匀地涂覆在带有一对金电极的Al2O3陶瓷管上，于100℃烘箱中干燥固化；将得到的Al2O3陶瓷管焊接在插卡式基座上，内部插入Ni-Cr合金加热丝焊接在插卡式基座上，再置于老化台上在300℃下老化2天，得到气体传感器件。
对所述气体传感器进行性能测试，性能表征结果如下：以合成的碳纳米洋葱和氧化锡纳米纤维复合材料为敏感材料，对50ppm甲醛的气敏响应值达到42，响应时间19s，恢复时间33s。
实施例4
本实施例提供了一种气敏碳纳米洋葱-氧化铁多孔纤维材料，如图4所示，所述复合材料由碳纳米洋葱和氧化铁复合而成，并具有纳米尺寸和多孔结构，纤维直径平均为300nm，表面孔径6.3nm，比表面积112m2/g。
所述气敏碳纳米洋葱-氧化铁纳米多孔纤维采用如下步骤进行制备：
S1.配制DMSO：FeCl3：碳纳米洋葱：F127(分子量为10600g/mol)质量比为30：4：2：1的溶液，搅拌均匀得到胶体溶液；
S2.将得到的胶体溶液通过静电纺丝得到碳纳米洋葱-氧化铁纳米复合纤维，静电纺丝的条件为：纺丝针头与金属收集器之间的距离为12cm；纺丝的电压为20KV；给液的速度为1.5mL/h；环境湿度为40％；环境温度为30℃；金属收集器的自转速度为700r/min；
S1.将得到的纳米纤维于空气中450℃煅烧0.5h，升温速率为10℃/min，碳纳米洋葱-氧化铁纳米复合纤维，纤维直径约300nm，表面孔径6.3nm，比表面积112m2/g。
将本实施例的碳纳米洋葱-氧化铁多孔纤维应用于制备气体传感器，具体制备过程如下：将50mg的得到的煅烧后的纳米纤维于研钵中，加入1.5mL无水乙醇，研磨成糊状；将得到的糊状液体均匀地涂覆在带有一对金电极的Al2O3陶瓷管上，于100℃烘箱中干燥固化；将得到的Al2O3陶瓷管焊接在插卡式基座上，内部插入Ni-Cr合金加热丝焊接在插卡式基座上，再置于老化台上在300℃下老化2天，得到气体传感器。
对所述气体传感器进行性能测试，性能表征结果如下：以合成的碳纳米洋葱和氧化铁纳米纤维多孔复合材料为敏感材料，对50ppm三乙胺的气敏响应值达到21，响应时间9s，恢复时间22s。
实施例5
本实施例提供了一种用于气敏碳纳米洋葱-氧化钛多孔纤维及其制备方法，如图5所示，所述多孔纤维由碳纳米洋葱和氧化铝复合而成，并具有纳米尺寸和多孔结构，纤维直径平均为200nm，表面孔径4.2nm，比表面积130m2/g。
所述气敏碳纳米洋葱-氧化钛纳米多孔纤维采用如下步骤进行制备：
S1.配制DMF：WCl3：碳纳米洋葱：P123(分子量为5750)质量比为50：6：2：1的溶液，搅拌均匀得到胶体溶液；
S2.将得到的胶体溶液通过静电纺丝得到碳纳米洋葱-氧化钛纳米复合纤维，静电纺丝的条件为：纺丝针头与金属收集器之间的距离为12cm；纺丝的电压为20KV；给液的速度为1.5mL/h；环境湿度为40％；环境温度为30℃；金属收集器的自转速度为700r/min；
S3.将得到的纳米纤维于空气中450℃煅烧0.5h，升温速率为10℃/min，碳纳米洋葱-氧化钛纳米复合纤维，纤维直径约200nm，表面孔径4.2nm，比表面积130m2/g。
将本实施例的气敏碳纳米洋葱-氧化钛多孔纤维应用于制备气体传感器，具体制备过程如下：将50mg的得到的煅烧后的纳米纤维于研钵中，加入1.5mL无水乙醇，研磨成糊状；将得到的糊状液体均匀地涂覆在带有一对金电极的Al2O3陶瓷管上，于100℃烘箱中干燥固化；将得到的Al2O3陶瓷管焊接在插卡式基座上，内部插入Ni-Cr合金加热丝焊接在插卡式基座上，再置于老化台上在300℃下老化2天，得到气体传感器。
对所述气体传感器进行性能测试，性能表征结果如下：以合成的碳纳米洋葱和氧化钛纳米纤维复合材料为敏感材料，对50ppm乙醇的气敏响应值达到35，响应时间10s，恢复时间29s。
以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明，并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的优选实施例。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (9)
1.一种气敏碳纳米洋葱-金属氧化物多孔纤维，其特征在于，所述多孔纤维由碳纳米洋葱和金属氧化物复合而成，并具有纳米尺寸和多孔结构，其中，碳纳米洋葱在多孔纤维中的含量为0.5-3wt％；纤维直径平均为150-300nm，多孔结构的表面孔径4-15nm，比表面积60-130m2/g；且当采用所述多孔纤维制备气体传感器件时，形成的气敏薄膜具有多级孔道结构。
2.根据权利要求1所述的气敏碳纳米洋葱-金属氧化物多孔纤维，其特征在于，所述碳纳米洋葱-金属氧化物多孔纤维对选择气体响应时间小于30s，响应值大于15。
3.一种如权利要求1或2所述的气敏碳纳米洋葱-金属氧化物多孔纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.配制静电纺丝前驱体溶液：将高分子聚合物、碳纳米洋葱、金属前驱体加入到有机溶剂中，搅拌溶解分散后得到前驱体胶体溶液；
S2.采用静电纺丝法制备碳纳米洋葱-金属氧化物纳米复合纤维：将所述胶体溶液进行静电纺丝，得到复合纳米纤维；
S3.将所述复合纳米纤维在空气中进行煅烧，得到碳纳米洋葱-金属氧化物纳米多孔纤维。
4.根据权利要求3所述的气敏碳纳米洋葱-金属氧化物多孔纤维的制备方法，其特征在于，步骤S1中：
所述高分子聚合物为聚乙烯吡咯烷酮、聚环氧乙烷-b-聚苯乙烯PEO-b-PS、聚苯乙烯-b-聚(2-乙烯基吡啶)、聚环氧乙烯-聚环氧丙烯-聚环氧乙烯、聚环氧乙烯-聚环氧丙烯-聚环氧乙烯中的一种，分子量为1～150万；
所述金属前驱体为WCl6、SnCl4、FeCl3、Zn(CH3COO)2、钛酸异丙醇酯中的一种；
所述有机溶剂为二甲基甲酰胺DMF、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜DMSO中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的气敏碳纳米洋葱-金属氧化物多孔纤维的制备方法，其特征在于，当高分子聚合物为PEO-b-PS，溶剂为DMF时，PEO-b-PS和DMF的质量比为：20～50。
6.根据权利要求4所述的气敏碳纳米洋葱-金属氧化物多孔纤维的制备方法，其特征在于，当高分子聚合物为PEO-b-PS，金属前驱体为WCl6时，WCl6与PEO-b-PS的质量比为3～6。
7.根据权利要求3-6任一项所述的气敏碳纳米洋葱-金属氧化物多孔纤维的制备方法，其特征在于，所述的高分子聚合物的浓度为0.015～0.04g/mL；金属前驱体盐的浓度为0.05～0.2g/L；碳纳米洋葱的浓度为0.01～0.06g/L。
8.根据权利要求3所述的气敏碳纳米洋葱-金属氧化物多孔纤维的制备方法，其特征在于，步骤S2中，静电纺丝的技术参数如下：纺丝针头与金属收集器之间的距离为5～12cm；纺丝的电压为12～20KV；给液速度为0.5～1.5mL/h；环境湿度条件为30～50％；环境温度为20～30℃；金属收集器的自转速度为300～700r/min。
9.根据权利要求3所述的气敏碳纳米洋葱-金属氧化物多孔纤维的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述的煅烧条件为空气下350～450℃时0.5～3h，升温速率为1～10℃/min。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006329802A (ja) * | 2005-05-26 | 2006-12-07 | Kyushu Univ | カーボンナノチューブセンサ及びその製造方法 |
| US20090101501A1 (en) * | 2007-10-17 | 2009-04-23 | Tao Xiao-Ming | Room temperature gas sensors |
| US20090198117A1 (en) * | 2008-01-29 | 2009-08-06 | Medtronic Minimed, Inc. | Analyte sensors having nanostructured electrodes and methods for making and using them |
| CN101792935A (zh) * | 2010-01-22 | 2010-08-04 | 天津工业大学 | 一种氧化铝/氧化锡共混纳米纤维膜及其制备方法 |
| US20180080148A1 (en) * | 2016-09-16 | 2018-03-22 | Paul K. Westerhoff | Electrospun polymeric porous fibers containing nanomaterials |
| CN110694668A (zh) * | 2019-11-08 | 2020-01-17 | 大连交通大学 | 一种分层介孔-纳米碳管网状结构催化剂材料及其制备方法 |
-
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006329802A (ja) * | 2005-05-26 | 2006-12-07 | Kyushu Univ | カーボンナノチューブセンサ及びその製造方法 |
| US20090101501A1 (en) * | 2007-10-17 | 2009-04-23 | Tao Xiao-Ming | Room temperature gas sensors |
| US20090198117A1 (en) * | 2008-01-29 | 2009-08-06 | Medtronic Minimed, Inc. | Analyte sensors having nanostructured electrodes and methods for making and using them |
| CN101792935A (zh) * | 2010-01-22 | 2010-08-04 | 天津工业大学 | 一种氧化铝/氧化锡共混纳米纤维膜及其制备方法 |
| US20180080148A1 (en) * | 2016-09-16 | 2018-03-22 | Paul K. Westerhoff | Electrospun polymeric porous fibers containing nanomaterials |
| CN110694668A (zh) * | 2019-11-08 | 2020-01-17 | 大连交通大学 | 一种分层介孔-纳米碳管网状结构催化剂材料及其制备方法 |
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