CN115678029A - 一种Z-67/MXene纳米复合材料、制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Z‑67/MXene纳米复合材料、制备方法及应用，属于气敏材料的传感器领域。本发明的Z‑67/MXene纳米复合材料及应用，MXene材料具有高电导率，高柔韧性和高电容性等特点，而MOFs材料作为多孔材料，具有较大的比表面积、孔体积和较多的活性位点。基于这两种材料制成的Z‑67/MXene复合纳米材料对VOCs气体具有良好的响应值和灵敏度，相较于纯MXene材料和单独的MOFs材料在同一温度下对VOCs气体的响应值均有数倍的提升。另外，由于MXene材料具有高柔韧性，Z‑67/MXene复合纳米材料具有涂覆在柔性基底上制备可穿戴柔性传感器的潜力。
Description
技术领域
本发明属于气敏材料的传感器领域，尤其是一种Z-67/MXene纳米复合材料、制备方法及应用。
背景技术
人类的生产生活过程中不可避免地会产生许多有毒有害气体，挥发性有机化合物(VOCs)常见的主要有芳香族，醛类，醇类和脂肪族碳氢化合物等，它们对人体健康产生了严重的威胁。近年来国家已经对大气环境污染问题，工业安全问题和食品安全问题更加重视，开发出性能良好且稳定可靠的气体传感器在市场上具有巨大的需求。
化学电阻传感器由于其体积小，成本低，检测效果好的优点已经被广泛用于气体检测领域，不过随着人们对气体传感器的要求越来越高，传统的化学电阻传感器渐渐无法满足人们的需求，因此改进提升气体传感器的性能成为科学家们研究的热点。气敏材料是气体传感器的核心装置，现有的气敏传感器材料多以金属氧化物半导体为主，它们存在灵敏度较低，工作温度高，选择性差，稳定性较差等问题。
传统的金属氧化物半导体材料用作气敏材料往往在300℃以上才能与目标气体有良好的反应，较高的工作温度限制了该气敏材料的进一步应用。而MXene基气体传感器存在稳定性较差以及对目标分析物选择性较差的缺点。MOFs材料虽然具有较大的比表面积，多的活性位点等优势外，但它的电导率较差的缺点使它在气体传感器方面难以进一步发展。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种Z-67/MXene纳米复合材料、制备方法及应用。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种Z-67/MXene纳米复合材料的制备方法，包括以下操作：
将Co(NO3)2·6H2O分散在MXene的分散液中，进行静电吸附自组装，得到含有钴离子的MXene分散液；
将二甲基咪唑溶液分散在含有钴离子的MXene分散液内，在室温静置反应；
待反应结束经多次离心后收集沉淀物，然后进行冷冻干燥，得到Z-67/MXene复合纳米材料。
进一步的，所述二甲基咪唑溶液的溶剂为甲醇。
进一步的，反应时间为10h以上。
一种Z-67/MXene纳米复合材料，根据本发明的制备方法制备得到。
进一步的，作为气敏材料测量VOCs气体浓度。
进一步的，将Z-67/MXene复合纳米材料分散在乙醇研磨，得到糊状液体；
将糊状液体涂覆到两对金电极上，待乙醇挥发之后，得到Z-67/MXene气敏元件。
进一步的，用于检测丙酮、甲醇、正丙醇、甲苯、乙醇和甲醛气体的浓度。
进一步的，检测时温度为110℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的Z-67/MXene纳米复合材料的制备方法，将Z-67与MXene复合，得到纳米复合材料，步骤简单，方便大规模推广。
本发明的Z-67/MXene纳米复合材料及应用，MXene材料具有高电导率，高柔韧性和高电容性等特点，而MOFs材料作为多孔材料，具有较大的比表面积、孔体积和较多的活性位点。基于这两种材料制成的Z-67/MXene复合纳米材料对VOCs气体具有良好的响应值和灵敏度，相较于纯MXene材料和单独的MOFs材料在同一温度下对VOCs气体的响应值均有数倍的提升。另外，由于MXene材料具有高柔韧性，所以制成的Z-67/MXene复合纳米材料具有涂覆在柔性基底上制备可穿戴柔性传感器的潜力。
附图说明
图1为Z-67/MXene气敏元件对100ppm丙酮气体灵敏度和温度关系折线图；
图2为Z-67/MXene气敏元件在工作温度110℃下对六种不同VOC气体的响应值；
图3为Z-67/MXene气敏元件在工作温度110℃下对不同浓度丙酮气体动态响应图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明提供了一种基于Z-67/MXene纳米复合材料作为气敏材料来测量VOCs气体浓度的方法。本发明通过以下过程合成Z-67/MXene材料，将所得材料均匀涂覆在电极上，制成气敏元件。然后温度27℃，湿度33％RH的实验条件下，测试了该气敏元件的一些性能。
实施例
(1)合成MXene材料
首先用量筒量取20ml浓度为12mol/L的HCl倒入离心管中，盖盖备用，随后用称量天平称取1.2g的LiF(99％)，将其转入HCl中，将溶液放置在油浴锅中使液体温度达到40℃后搅拌20min(18r)。用称量天平称取1.0gMAX(Ti3AlC2)固体，在十分钟内少量多次加入上述体系中。加完原料后，向离心管内充入Ar气，并用保鲜膜封口，将盖子盖紧，放在40℃水浴锅中，以18r的转速搅拌反应48h。待反应完毕后，将离心管取出，将离心管中的液体平均转入另外两只新的离心管，分别加入少量水后放入离心机，离心机转速设置为3000r，离心液体2min使其发黏，将上层液体倒掉，加水至45ml，然后再次放入离心机中以3500r的转速离心5min，离心四次后沉淀发粘，测试上层液体PH接近中性。随后将黏土状沉淀搅拌摇匀，加水混合成均匀的液体，转入圆底烧瓶，边搅拌边冰浴超声4h。超声结束后，在离心机中以3500r的转速离心1h，收集上层液体。将收集到的液体预冻后进行冷冻干燥，干燥后收集MXene(Ti3C2)，真空冷冻保存。
(2)合成Z-67/MXene材料
取0.05g MXene固体，转入50ml的甲醇溶液中，冰浴超声20min，分散均匀。然后将0.291g Co(NO3)2·6H2O，加入MXene分散液中，超声15min，进行静电吸附自组装。将1.37g二甲基咪唑(mIM)转入50ml甲醇溶液中，超声15min使其充分溶解。然后将上述二甲基咪唑溶液转入溶解了钴离子的MXene分散液中，超声20min后，室温搅拌再静置过夜。将静置后的混合溶液，用甲醇和水在离心机中以7500r转速交替离心清洗各三次。预冻后进行冷冻干燥，收集样品，即为Z-67/MXene复合纳米材料。
(3)制备Z-67/MXene气敏元件
将冷冻好的Z-67/MXene样品从玻璃皿底部小心刮下，收集刮下的固体颗粒到密封袋中，取适量样品放入研钵中，加入粘合剂乙醇溶液使固体在溶液中均匀分散，然后研磨并调制成均匀的糊状液体。用毛笔将调好的糊糊状样品涂覆到两对金电极上，保证均匀完全覆盖电极，样品覆盖厚度约为0.25mm。等待粘合剂完全挥发之后，就制成了Z-67/MXene气敏元件。
参见图1，图1为Z-67/MXene气敏元件对100ppm丙酮气体灵敏度和温度关系折线，从图1中可知，Z-67/MXene气敏元件的最佳工作温度110℃下，Z-67/MXene复合纳米材料对100ppm丙酮气体的响应值为19。相比于纯Ti3C2Tx MXene基传感器最佳工作温度下降了几十摄氏度，响应值也提高将近一倍。
参见图2，图2为Z-67/MXene气敏元件在工作温度110℃下对六种不同气体的响应值，在110℃下，Z-67/MXene基传感器对浓度均为100ppm的六种不同VOCs气体进行气敏传感性能测试，六种气体分别为丙酮、甲醇、正丙醇、甲苯、乙醇和甲醛气体，结果显示传感器对丙酮气体展现了优异的响应值，与另外5种气体先表现出了明显的差别，所以Z-67/MXene基传感器对丙酮气体有出色的气体选择性。
参见图3，图3为Z-67/MXene气敏元件在工作温度110℃下对不同浓度丙酮气体动态响应，从图3可以看出，Z-67/MXene复合纳米材料在浓度为10ppm丙酮气体中仍有接近于1的响应值，所以Z-67/MXene复合纳米材料对丙酮气体的检测下限低，可以很好地满足市场需要。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种Z-67/MXene纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下操作：
将Co(NO3)2·6H2O分散在MXene的分散液中，进行静电吸附自组装，得到含有钴离子的MXene分散液；
将二甲基咪唑溶液分散在含有钴离子的MXene分散液内，在室温静置反应；
待反应结束经多次离心后收集沉淀物，然后进行冷冻干燥，得到Z-67/MXene复合纳米材料。
2.根据权利要求1所述的Z-67/MXene纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述二甲基咪唑溶液的溶剂为甲醇。
3.根据权利要求1所述的Z-67/MXene纳米复合材料的制备方法，其特征在于，反应时间为10h以上。
4.一种Z-67/MXene纳米复合材料，其特征在于，根据权利要求1-3任一项制备方法制备得到。
5.根据权利要求4所述的Z-67/MXene纳米复合材料的应用，其特征在于，作为气敏材料测量VOCs气体浓度。
6.根据权利要求5所述的Z-67/MXene纳米复合材料的应用，其特征在于，
将Z-67/MXene复合纳米材料分散在乙醇研磨，得到糊状液体；
将糊状液体涂覆到两对金电极上，待乙醇挥发之后，得到Z-67/MXene气敏元件。
7.根据权利要求5所述的Z-67/MXene纳米复合材料的应用，其特征在于，用于检测丙酮、甲醇、正丙醇、甲苯、乙醇和甲醛气体的浓度。
8.根据权利要求5所述的Z-67/MXene纳米复合材料的应用，其特征在于，检测时温度为110℃。
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