CN116145286A - 一种可在低工作温度下有效检测超低浓度二甲苯的钴基纳米纤维敏感材料、制备方法及应用 - Google Patents
一种可在低工作温度下有效检测超低浓度二甲苯的钴基纳米纤维敏感材料、制备方法及应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116145286A CN116145286A CN202310002619.5A CN202310002619A CN116145286A CN 116145286 A CN116145286 A CN 116145286A CN 202310002619 A CN202310002619 A CN 202310002619A CN 116145286 A CN116145286 A CN 116145286A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cobalt
- sensitive material
- working temperature
- material capable
- xylene
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N O-Xylene Chemical compound CC1=CC=CC=C1C CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 66
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 64
- 239000002121 nanofiber Substances 0.000 title claims abstract description 62
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 45
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 title claims abstract description 45
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 45
- 239000008096 xylene Substances 0.000 title claims abstract description 43
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 21
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 67
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 31
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000010041 electrostatic spinning Methods 0.000 claims abstract description 9
- 229920000036 polyvinylpyrrolidone Polymers 0.000 claims abstract description 8
- 239000001267 polyvinylpyrrolidone Substances 0.000 claims abstract description 8
- 235000013855 polyvinylpyrrolidone Nutrition 0.000 claims abstract description 8
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- VCJMYUPGQJHHFU-UHFFFAOYSA-N iron(3+);trinitrate Chemical compound [Fe+3].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O VCJMYUPGQJHHFU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 238000001354 calcination Methods 0.000 claims description 9
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 7
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 7
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims description 6
- LZZYPRNAOMGNLH-UHFFFAOYSA-M Cetrimonium bromide Chemical compound [Br-].CCCCCCCCCCCCCCCC[N+](C)(C)C LZZYPRNAOMGNLH-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 5
- KCXVZYZYPLLWCC-UHFFFAOYSA-N EDTA Chemical compound OC(=O)CN(CC(O)=O)CCN(CC(O)=O)CC(O)=O KCXVZYZYPLLWCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229920003171 Poly (ethylene oxide) Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 claims description 3
- DBMJMQXJHONAFJ-UHFFFAOYSA-M Sodium laurylsulphate Chemical compound [Na+].CCCCCCCCCCCCOS([O-])(=O)=O DBMJMQXJHONAFJ-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229920001400 block copolymer Polymers 0.000 claims description 3
- 229940011182 cobalt acetate Drugs 0.000 claims description 3
- QAHREYKOYSIQPH-UHFFFAOYSA-L cobalt(II) acetate Chemical compound [Co+2].CC([O-])=O.CC([O-])=O QAHREYKOYSIQPH-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 3
- FJDJVBXSSLDNJB-LNTINUHCSA-N cobalt;(z)-4-hydroxypent-3-en-2-one Chemical compound [Co].C\C(O)=C\C(C)=O.C\C(O)=C\C(C)=O.C\C(O)=C\C(C)=O FJDJVBXSSLDNJB-LNTINUHCSA-N 0.000 claims description 3
- TVACALAUIQMRDF-UHFFFAOYSA-N dodecyl dihydrogen phosphate Chemical compound CCCCCCCCCCCCOP(O)(O)=O TVACALAUIQMRDF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims description 3
- PVFSDGKDKFSOTB-UHFFFAOYSA-K iron(3+);triacetate Chemical compound [Fe+3].CC([O-])=O.CC([O-])=O.CC([O-])=O PVFSDGKDKFSOTB-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 3
- 229920002503 polyoxyethylene-polyoxypropylene Polymers 0.000 claims description 3
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 claims description 3
- 238000009987 spinning Methods 0.000 claims description 3
- 229920000428 triblock copolymer Polymers 0.000 claims description 3
- CDVAIHNNWWJFJW-UHFFFAOYSA-N 3,5-diethoxycarbonyl-1,4-dihydrocollidine Chemical compound CCOC(=O)C1=C(C)NC(C)=C(C(=O)OCC)C1C CDVAIHNNWWJFJW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910021578 Iron(III) chloride Inorganic materials 0.000 claims description 2
- GVPFVAHMJGGAJG-UHFFFAOYSA-L cobalt dichloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Co+2] GVPFVAHMJGGAJG-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 2
- UFMZWBIQTDUYBN-UHFFFAOYSA-N cobalt dinitrate Chemical compound [Co+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O UFMZWBIQTDUYBN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910001981 cobalt nitrate Inorganic materials 0.000 claims description 2
- RBTARNINKXHZNM-UHFFFAOYSA-K iron trichloride Chemical compound Cl[Fe](Cl)Cl RBTARNINKXHZNM-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 2
- 239000012046 mixed solvent Substances 0.000 claims description 2
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 claims description 2
- 229910017061 Fe Co Inorganic materials 0.000 abstract description 27
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 13
- 239000002994 raw material Substances 0.000 abstract description 6
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 3
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 abstract description 2
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 abstract description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 34
- 230000004044 response Effects 0.000 description 21
- UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N Benzene Chemical compound C1=CC=CC=C1 UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 5
- XZXAIFLKPKVPLO-UHFFFAOYSA-N cobalt(2+);dinitrate;hydrate Chemical compound O.[Co+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O XZXAIFLKPKVPLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 5
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- NIPNSKYNPDTRPC-UHFFFAOYSA-N N-[2-oxo-2-(2,4,6,7-tetrahydrotriazolo[4,5-c]pyridin-5-yl)ethyl]-2-[[3-(trifluoromethoxy)phenyl]methylamino]pyrimidine-5-carboxamide Chemical compound O=C(CNC(=O)C=1C=NC(=NC=1)NCC1=CC(=CC=C1)OC(F)(F)F)N1CC2=C(CC1)NN=N2 NIPNSKYNPDTRPC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- URLKBWYHVLBVBO-UHFFFAOYSA-N Para-Xylene Chemical group CC1=CC=C(C)C=C1 URLKBWYHVLBVBO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N Pentane Chemical compound CCCCC OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 4
- LQNUZADURLCDLV-UHFFFAOYSA-N nitrobenzene Chemical compound [O-][N+](=O)C1=CC=CC=C1 LQNUZADURLCDLV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 4
- -1 ZnO Chemical class 0.000 description 3
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000000711 cancerogenic effect Effects 0.000 description 2
- 231100000315 carcinogenic Toxicity 0.000 description 2
- 230000036541 health Effects 0.000 description 2
- 239000012456 homogeneous solution Substances 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- WSFSSNUMVMOOMR-NJFSPNSNSA-N methanone Chemical compound O=[14CH2] WSFSSNUMVMOOMR-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 2
- 210000002345 respiratory system Anatomy 0.000 description 2
- 206010019233 Headaches Diseases 0.000 description 1
- 229910018487 Ni—Cr Inorganic materials 0.000 description 1
- 208000003251 Pruritus Diseases 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 239000002390 adhesive tape Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 210000003169 central nervous system Anatomy 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000007730 finishing process Methods 0.000 description 1
- 210000001035 gastrointestinal tract Anatomy 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 231100000869 headache Toxicity 0.000 description 1
- NEOOEFDJRSCWOU-UHFFFAOYSA-N iron(2+);dinitrate;hydrate Chemical compound O.[Fe+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O NEOOEFDJRSCWOU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LZKLAOYSENRNKR-LNTINUHCSA-N iron;(z)-4-oxoniumylidenepent-2-en-2-olate Chemical compound [Fe].C\C(O)=C\C(C)=O.C\C(O)=C\C(C)=O.C\C(O)=C\C(C)=O LZKLAOYSENRNKR-LNTINUHCSA-N 0.000 description 1
- 230000007803 itching Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 210000003491 skin Anatomy 0.000 description 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 150000003738 xylenes Chemical class 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
- D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
- D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
- D01D5/0007—Electro-spinning
- D01D5/0015—Electro-spinning characterised by the initial state of the material
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
- D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
- D01F1/00—General methods for the manufacture of artificial filaments or the like
- D01F1/02—Addition of substances to the spinning solution or to the melt
- D01F1/10—Other agents for modifying properties
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
- D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
- D01F9/00—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
- D01F9/08—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Textile Engineering (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
Abstract
一种可在低工作温度下有效检测超低浓度二甲苯的钴基纳米纤维敏感材料、制备方法及其在制备旁热式高灵敏度二甲苯气体传感器中的应用，属于纳米纤维敏感材料技术领域。本发明以铁源、钴源、表面活性剂及聚乙烯吡咯烷酮为原料，采用静电纺丝法制备出Fe‑Co3O4纳米纤维敏感材料，纳米纤维的直径分布在40～60nm之间。在检测二甲苯气体方面，基于该纳米纤维敏感材料的气体传感器具有工作温度低(120℃)、灵敏度高、选择性好、检测限低(检测限低至40ppb)等优势，并且合成方法简单、制备周期短、原料成本低，易于实现规模化生产，在室内环境的安全监测方面具有重要的价值和现实意义。
Description
技术领域
本发明属于纳米纤维敏感材料技术领域，具体涉及一种可在低工作温度下有效检测超低浓度二甲苯的钴基纳米纤维敏感材料、制备方法及其在制备旁热式高灵敏度二甲苯气体传感器中的应用。
背景技术
二甲苯是常见的挥发性有机物之一。装修过程中使用的胶带、粘合剂、地毯、墙纸、压板制成品及油漆等会持续不断地释放二甲苯数月乃至数年。二甲苯可以通过呼吸道、消化道及皮肤被人体吸收，能够引起皮肤瘙痒、头痛，损害中枢神经系统和呼吸系统，甚至有致癌的风险，严重危害人们的生命健康，已被世界卫生组织和国际癌症研究机构列为Ⅲ类致癌物。根据我国GB/T18883-2022《室内空气质量标准》规定，室内二甲苯的浓度不应超过0.20mg/m3(约42ppb)。但是，目前已有的检测盒还不能满足低浓度二甲苯的检测需求。
半导体金属氧化物基气体传感器因其灵敏度高、成本低、使用寿命长等优点而受到了特别的关注，是目前使用范围最广的气体传感器。多种金属氧化物如ZnO、NiO、WO3及其复合材料已经应用于二甲苯气体的检测，但这些材料仍然存在明显的不足之处。如检测限高，无法确定室内低浓度二甲苯的含量，从而不能完全满足实际应用的要求；较高的工作温度会加大传感器的功耗，缩短器件的使用寿命，降低器件的选择性。因此开发低检测限、低工作温度的二甲苯纳米纤维敏感材料具有重要意义。
基于上述问题，本发明提供了一种可有效检测低浓度二甲苯的Fe-Co3O4纳米纤维敏感材料及其制备方法。以该材料制作的传感器对二甲苯的检测限低至40ppb，且工作温度低至120℃。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可在低工作温度下有效检测超低浓度二甲苯的钴基纳米纤维敏感材料、制备方法及其在制备旁热式高灵敏度二甲苯气体传感器中的应用。本发明以铁源、钴源、表面活性剂及聚乙烯吡咯烷酮为原料，采用静电纺丝法制备出Fe-Co3O4纳米纤维敏感材料，纳米纤维的直径分布在40～60nm之间。在检测二甲苯气体方面，基于该纳米纤维敏感材料的气体传感器具有工作温度低、灵敏度高、选择性好、检测限低等优势，可用于室内环境安全监测，并且合成方法简单、制备周期短、原料成本低，易于实现规模化生产。
本发明所述的一种可在低工作温度下有效检测超低浓度二甲苯的钴基纳米纤维敏感材料的制备方法，其步骤如下：
(1)将铁源和钴源加入到N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和无水乙醇组成的混合溶剂中，搅拌至溶解；DMF和无水乙醇的体积比为1：2～4，铁源的浓度为0.0006～0.008mol·L-1；
(2)向步骤(1)得到的溶液中加入表面活性剂，加热搅拌至形成均匀溶液；铁源、钴源、表面活性剂的摩尔比为1：10～100：0.5～5；
(3)向步骤(2)得到的均匀溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，继续搅拌12～24小时，以形成均匀的粘稠溶液；聚乙烯吡咯烷酮与铁源的摩尔比为1：9～113；
(4)通过静电纺丝方法将步骤(3)得到的粘稠溶液制成由铁源、钴源、表面活性剂和聚合物组成的纳米纤维，干燥后得到纳米纤维前驱体；
(5)将步骤(4)得到的纳米纤维前驱体在高温下煅烧，从而得到本发明所述的可在低工作温度下有效检测超低浓度二甲苯的钴基纳米纤维敏感材料。
步骤(1)中铁源为硝酸铁、氯化铁、乙酰丙酮铁及乙酸铁中的一种或几种；
步骤(1)中钴源为硝酸钴、氯化钴、乙酰丙酮钴及乙酸钴中的一种或几种；
步骤(2)中的表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物(P123)、聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物(F127)、乙二胺四乙酸(EDTA)、十二烷基硫酸钠(SDS)、单月桂基磷酸酯(MAP)中的一种或多种；
步骤(2)的加热温度为40～60℃，加热时间为2～5小时；
步骤(4)中静电纺丝时，静电纺丝装置的针头与铝箔接收板之间的距离为20～30cm，所施加的纺丝电压为18～25kV；所述的干燥温度为60～80℃，干燥时间为8～48小时。
步骤(5)的煅烧温度为400～700℃，升温速率为2～4℃/min，煅烧时间为1～4小时。
本发明所述的一种可在低工作温度下有效检测超低浓度二甲苯的Fe-Co3O4纳米纤维敏感材料，其是由上述方法制备得到。
本发明的优点如下：
本发明所述的一种可在低工作温度下有效检测超低浓度二甲苯的Fe-Co3O4纳米纤维敏感材料，对二甲苯的检测限低至40ppb，可满足实际应用的要求。
本发明所述的一种可在低工作温度下有效检测超低浓度二甲苯的Fe-Co3O4纳米纤维敏感材料，可在较低的工作温度下(120℃)检测二甲苯气体，有利于减少传感器的功耗，延长使用寿命，且对二甲苯具有优异的选择性(对甲醛、氨、正戊烷、苯、硝基苯等气体几乎无响应)，有效实现了对二甲苯的选择性检测，在室内环境的监测方面具有重要的价值和现实意义。
附图说明
图1：实施例1所得Fe-Co3O4纳米纤维敏感材料的扫描电子显微镜(SEM)照片，可见纳米纤维的直径分布在40～60nm之间。
图2(A)：基于实施例1所得Fe-Co3O4纳米纤维敏感材料的气体传感器对100ppm二甲苯的响应-恢复曲线。在120℃的工作温度下，响应值达到了29.6，响应时间46s，恢复时间92s。响应值的定义为气体传感器两金电极间在二甲苯气体中的电阻值(Rg)与在空气中电阻值(Ra)之比，即响应值S＝Rg/Ra，因此测量传感器在不同气氛下的电阻值，计算即可得到响应值。响应时间和恢复时间则分别为传感器在响应和恢复过程中达到90％电阻变化所需的时间。
图2(B)：基于实施例1所得Fe-Co3O4纳米纤维敏感材料的气体传感器对40ppb二甲苯的响应-恢复曲线，表明该传感器具有极低的检测下限，具有实际应用的价值。
图3：基于实施例1所得Fe-Co3O4纳米纤维敏感材料的气体传感器对100ppm不同气体的响应值柱状图。工作温度为120℃时，该传感器对甲醛、氨、正戊烷、苯、硝基苯等气体几乎不响应，说明它对二甲苯气体具有优异的选择性。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于下述实施例。本领域技术人员清楚，在不偏离本发明主旨和范围的情况下可以对本发明做出变化或调整，这些变化或调整也纳入本发明的保护范围内。
实施例1：钴铁摩尔比为1：0.02的Fe-Co3O4纳米纤维敏感材料的制备
(1)称取2mmol硝酸钴水合物(Co(NO3)2·6H2O)、0.04mmol硝酸铁水合物(Fe(NO3)3·9H2O)，再加入8mL DMF，24mL无水乙醇，室温搅拌至金属盐溶解。
(2)向步骤(1)中的溶液中，加入0.1mmol十六烷基三甲基溴化铵，在50℃下加热搅拌4个小时以形成均匀溶液。
(3)向步骤(2)中的均匀溶液中，加入2.4g PVP(0.00185mmol)，继续搅拌12小时，以形成均匀的粘稠溶液。
(4)将步骤(3)所得粘稠溶液通过静电纺丝方法制备出由铁源、钴源、表面活性剂和聚合物组成的均匀的纳米纤维，然后在80℃下干燥12个小时得到纳米纤维前驱体。静电纺丝时，静电纺丝装置的针头与铝箔接收板之间的距离为20cm，所施加的纺丝电压为18kV。
(5)将步骤(4)所得的纳米纤维前驱体以3℃/min的速率升温至400℃，并保持4个小时，制备出一种可在低工作温度下有效检测超低浓度二甲苯的Fe-Co3O4纳米纤维敏感材料。在120℃的工作温度下，该材料所制备的气体传感器对100ppm二甲苯的响应值为29.6，检测限为40ppb。
实施例2：钴铁摩尔比为1：0.01的Fe-Co3O4纳米纤维敏感材料的制备
与实施例1相同，仅仅调整了投料比，即分别称取2mmol硝酸钴水合物(Co(NO3)2·6H2O)、0.02mmol硝酸铁水合物(Fe(NO3)3·9H2O)作为原料，其它条件不变。该材料制备的气体传感器在120℃的工作温度下对100ppm二甲苯的响应值为15.2。
实施例3：钴铁摩尔比为1：0.05的Fe-Co3O4纳米纤维敏感材料的制备
与实施例1相同，仅仅调整了投料比，即分别称取2mmol硝酸钴水合物(Co(NO3)2·6H2O)、0.1mmol硝酸铁水合物(Fe(NO3)3·9H2O)作为原料，其它条件不变。该材料制备的气体传感器在120℃的工作温度下对100ppm二甲苯的响应值为20.5。
实施例4：钴铁摩尔比为1：0.07的Fe-Co3O4纳米纤维敏感材料的制备
与实施例1相同，仅仅调整了投料比，即分别称取2mmol硝酸钴水合物(Co(NO3)2·6H2O)、0.14mmol硝酸铁水合物(Fe(NO3)3·9H2O)作为原料，其它条件不变。该材料制备的气体传感器在120℃的工作温度下对100ppm二甲苯的响应值为13.5。
实施例5：钴铁摩尔比为1：0.1的Fe-Co3O4纳米纤维敏感材料的制备
与实施例1相同，仅仅调整了投料比，即分别称取2mmol硝酸钴水合物(Co(NO3)2·6H2O)、0.2mmol硝酸铁水合物(Fe(NO3)3·9H2O)作为原料，其它条件不变。该材料制备的气体传感器在120℃的工作温度下对100ppm二甲苯的响应值为8.3。
实施例6：钴铁摩尔比为1：0.02的Fe-Co3O4纳米纤维敏感材料的制备
与实施例1相同，仅仅改变了表面活性剂，将0.1mmol十六烷基三甲基溴化铵调整为0.1mmol聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物(P123)，其它条件不变。该材料制备的气体传感器在120℃的工作温度下对100ppm二甲苯的响应值为13.2。
实施例7：钴铁摩尔比为1：0.02的Fe-Co3O4纳米纤维敏感材料的制备
与实施例1相同，仅仅改变了表面活性剂，将0.1mmol十六烷基三甲基溴化铵调整为0.1mmol聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物(F127)，其它条件不变。该材料制备的气体传感器在120℃的工作温度下对100ppm二甲苯的响应值为8.7。
实施例8：钴铁摩尔比为1：0.02的Fe-Co3O4纳米纤维敏感材料的制备
与实施例1相同，将煅烧温度由400℃调整为500℃，其它条件不变。该材料制备的气体传感器在120℃的工作温度下对100ppm二甲苯的响应值为17.2。
实施例9：钴铁摩尔比为1：0.02的Fe-Co3O4纳米纤维敏感材料的制备。
与实施例1相同，将煅烧温度由400℃调整为600℃，其它条件不变。该材料制备的气体传感器在120℃的工作温度下对100ppm二甲苯的响应值为11.4。
实施例10：钴铁摩尔比为1：0.02的Fe-Co3O4纳米纤维敏感材料的制备。
与实施例1相同，将煅烧温度由400℃调整为700℃，其它条件不变。该材料制备的气体传感器在120℃的工作温度下对100ppm二甲苯的响应值为7.8。
实施例11：钴铁摩尔比为1：0.02的Fe-Co3O4纳米纤维敏感材料的制备。
与实施例1相同，仅仅调整了铁源和钴源，即分别称取2mmol乙酰丙酮钴(C15H21CoO6)、0.04mmol乙酰丙酮铁(C15H21FeO6)作为原料，其它条件不变。该材料制备的气体传感器在120℃的工作温度下对100ppm二甲苯的响应值为20.0。
实施例12：钴铁摩尔比为1：0.02的Fe-Co3O4纳米纤维敏感材料的制备。
与实施例1相同，仅仅调整了铁源和钴源，即分别称取2mmol乙酸钴(Co(CH3COO)2·4H2O)、0.04mmol乙酸铁(C4H7FeO5)作为原料，其它条件不变。该材料制备的气体传感器在120℃的工作温度下对100ppm二甲苯的响应值为16.8。
实施例13：制作基于Fe-Co3O4纳米纤维敏感材料的气体传感器。
基于Fe-Co3O4纳米纤维敏感材料的气体传感器由外表面带有两条环状、相互平行Au电极的Al2O3陶瓷管、Ni-Cr加热丝线圈、六角形底座以及涂覆在Al2O3陶瓷管外表面的Fe-Co3O4薄膜组成。
基于Fe-Co3O4纳米纤维敏感材料的气体传感器，其制备过程如下：(1)称取20mg实施例1～12任一所得的Fe-Co3O4纳米纤维敏感材料，放入玛瑙研钵中，加入4mL无水乙醇，充分研磨，直到呈现均匀粘稠的浆料状态；(2)使用洁净的毛笔刷将浆料匀速地涂在Al2O3陶瓷管外表面并将Au电极完全覆盖，在室温下晾10分钟后形成均匀的Fe-Co3O4纳米纤维敏感材料薄膜，薄膜的厚度为0.05mm；(3)将四根Pt丝(Al2O3陶瓷管外表面两条环状Au电极各引出两根Pt丝)焊接在六角形底座的四角，接着将Ni-Cr加热丝线圈穿过Al2O3陶瓷管的内部，并将其两端分别焊接至底座的对应电极上，即得到所述的气体传感器；(4)在200℃下，将所得气体传感器老化20个小时，以备测试。
Claims (9)
1.一种可在低工作温度下有效检测超低浓度二甲苯的钴基纳米纤维敏感材料的制备方法，其步骤如下：
(1)将铁源和钴源加入到N,N-二甲基甲酰胺和无水乙醇组成的混合溶剂中，搅拌至溶解；N,N-二甲基甲酰胺和无水乙醇的体积比为1：2～4，铁源的浓度为0.0006～0.008mol·L-1；
(2)向步骤(1)得到的溶液中加入表面活性剂，加热搅拌至形成均匀溶液；铁源、钴源、表面活性剂的摩尔比为1：10～100：0.5～5；
(3)向步骤(2)得到的均匀溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮，继续搅拌12～24小时，以形成均匀的粘稠溶液；聚乙烯吡咯烷酮与铁源的摩尔比为1：9～113；
(4)通过静电纺丝方法将步骤(3)得到的粘稠溶液制成由铁源、钴源、表面活性剂和聚合物组成的纳米纤维，干燥后得到纳米纤维前驱体；
(5)将步骤(4)得到的纳米纤维前驱体在高温下煅烧，从而得到可在低工作温度下有效检测超低浓度二甲苯的钴基纳米纤维敏感材料。
2.如权利要求1所述的一种可在低工作温度下有效检测超低浓度二甲苯的钴基纳米纤维敏感材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中铁源为硝酸铁、乙酰丙酮铁、氯化铁及乙酸铁中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的一种可在低工作温度下有效检测超低浓度二甲苯的钴基纳米纤维敏感材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中钴源为硝酸钴、乙酰丙酮钴、氯化钴及乙酸钴中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的一种可在低工作温度下有效检测超低浓度二甲苯的钴基纳米纤维敏感材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中的表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物、聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物、乙二胺四乙酸、十二烷基硫酸钠、单月桂基磷酸酯中的一种或几种。
5.如权利要求1所述的一种可在低工作温度下有效检测超低浓度二甲苯的钴基纳米纤维敏感材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)的加热温度为40～60℃，加热时间为2～5小时。
6.如权利要求1所述的一种可在低工作温度下有效检测超低浓度二甲苯的钴基纳米纤维敏感材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)中静电纺丝装置的针头与铝箔接收板之间的距离为20～30cm，所施加的纺丝电压为18～25kV；所述的干燥温度为60～80℃，干燥时间为8～48小时。
7.如权利要求1所述的一种可在低工作温度下有效检测超低浓度二甲苯的钴基纳米纤维敏感材料的制备方法，其特征在于：步骤(5)的煅烧温度为400～700℃，升温速率为2～4℃/min，煅烧时间为1～4小时。
8.一种可在低工作温度下有效检测超低浓度二甲苯的钴基纳米纤维敏感材料，其特征在于：是由权利要求1～7任何一项所述的方法制备得到。
9.权利要求8所述的一种可在低工作温度下有效检测超低浓度二甲苯的钴基纳米纤维敏感材料在制备旁热式高灵敏度二甲苯气体传感器中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310002619.5A CN116145286B (zh) | 2023-01-03 | 2023-01-03 | 一种可在低工作温度下有效检测超低浓度二甲苯的钴基纳米纤维敏感材料、制备方法及应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310002619.5A CN116145286B (zh) | 2023-01-03 | 2023-01-03 | 一种可在低工作温度下有效检测超低浓度二甲苯的钴基纳米纤维敏感材料、制备方法及应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116145286A true CN116145286A (zh) | 2023-05-23 |
| CN116145286B CN116145286B (zh) | 2024-05-10 |
Family
ID=86352073
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310002619.5A Active CN116145286B (zh) | 2023-01-03 | 2023-01-03 | 一种可在低工作温度下有效检测超低浓度二甲苯的钴基纳米纤维敏感材料、制备方法及应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116145286B (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105668638A (zh) * | 2016-01-18 | 2016-06-15 | 郑州轻工业学院 | 一种纳米材料及其制备方法和应用 |
| CN110082406A (zh) * | 2019-06-06 | 2019-08-02 | 吉林大学 | 一种基于SnO2-Co3O4异质结纳米结构敏感材料的二甲苯气体传感器及其制备方法 |
| CN110455891A (zh) * | 2019-08-20 | 2019-11-15 | 吉林大学 | 基于CoWO4-Co3O4异质结纳米结构敏感材料的二甲苯气体传感器及其制备方法 |
| US20200209206A1 (en) * | 2018-12-28 | 2020-07-02 | Korea University Research And Business Foundation | CoCr2O4-BASED GAS SENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME |
-
2023
- 2023-01-03 CN CN202310002619.5A patent/CN116145286B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105668638A (zh) * | 2016-01-18 | 2016-06-15 | 郑州轻工业学院 | 一种纳米材料及其制备方法和应用 |
| US20200209206A1 (en) * | 2018-12-28 | 2020-07-02 | Korea University Research And Business Foundation | CoCr2O4-BASED GAS SENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME |
| CN110082406A (zh) * | 2019-06-06 | 2019-08-02 | 吉林大学 | 一种基于SnO2-Co3O4异质结纳米结构敏感材料的二甲苯气体传感器及其制备方法 |
| CN110455891A (zh) * | 2019-08-20 | 2019-11-15 | 吉林大学 | 基于CoWO4-Co3O4异质结纳米结构敏感材料的二甲苯气体传感器及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 陈明鹏;张裕敏;张瑾;柳清菊;: "苯系物(BTEX)检测气敏材料研究进展", 材料导报, no. 13, 10 July 2018 (2018-07-10) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116145286B (zh) | 2024-05-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104749225B (zh) | ZnO/ZnFe2O4复合敏感材料、制备方法及在丙酮气体传感器中的应用 | |
| CN104819999B (zh) | 具有超快响应恢复特性的乙醇气体传感器元件的制备方法 | |
| CN107364897A (zh) | 一种铁酸锌纳米材料的制备方法 | |
| CN109835944B (zh) | 用于甲醛气体检测的三维In2O3/SnO2核壳纳米复合材料及由其制备的气敏元件 | |
| CN106770498B (zh) | 基于静电纺丝技术制备的铑掺杂二氧化锡纳米纤维敏感材料的丙酮传感器、制备方法及应用 | |
| CN107164839B (zh) | 具有超高灵敏度和选择性的甲醛敏感材料CdGa2O4及其制备方法 | |
| CN109678214B (zh) | 一种对丙酮敏感的四氧化三钴/氧化铟纳米管复合薄膜 | |
| Liu et al. | High sensing properties of Ce-doped α-Fe2O3 nanotubes to acetone | |
| CN102539487A (zh) | 一种二氧化钛纳米线与二氧化锡纳米颗粒复合的气敏材料及其制备方法 | |
| CN106770501A (zh) | 一种基于ZnO空心花球与CdO纳米颗粒复合纳米材料的乙醇气体传感器及其制备方法 | |
| CN104990961A (zh) | 一种基于Al掺杂的NiO纳米棒花材料的乙醇气体传感器及制备方法 | |
| CN104451952B (zh) | 一种还原性石墨烯包裹四氧化三钴复合纳米纤维及其制备工艺 | |
| CN108314095A (zh) | 一种铁酸镍纳米材料的制备方法 | |
| CN101857275A (zh) | 镁掺杂铁酸镧气敏材料及其制备方法和用途 | |
| CN110455891A (zh) | 基于CoWO4-Co3O4异质结纳米结构敏感材料的二甲苯气体传感器及其制备方法 | |
| CN107572601A (zh) | 一种CoO纳米材料形貌调控的合成方法 | |
| CN116145286B (zh) | 一种可在低工作温度下有效检测超低浓度二甲苯的钴基纳米纤维敏感材料、制备方法及应用 | |
| CN106018496A (zh) | 一种高灵敏度低工作温度乙醇气体传感器元件的制备方法 | |
| CN108622944A (zh) | 一种pH值及粘合剂调控的具软磁性和丙酮气体敏感性的铁酸铜镍材料的制备及应用 | |
| CN113550025B (zh) | 一种钨酸锌/氧化锌异质纳米纤维及其制备方法和应用 | |
| CN108663416B (zh) | 一种用于甲醛检测的气敏元件及其制造方法 | |
| CN107367528A (zh) | 一种基于ZnO复合纤维的乙醇气体传感器 | |
| CN108205002B (zh) | 一种高气体响应和选择性的LaFeO3基乙醇气体传感器元件及其制备方法 | |
| CN101718733A (zh) | 硼氮纳米线/半导体氧化物复合材料及其制备方法和应用 | |
| CN113899790A (zh) | 一种丙酮传感器、制备方法及应用 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |