[發(fā)明專利]多孔分級結(jié)構(gòu)室溫氯氣敏感材料的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010166221.8
• 申請日: 2010-05-07
• 公開（公告）號: CN101825593A
• 公開（公告）日: 2010-09-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蘇慧蘭;宋鈁;張荻
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號: G01N27/00
• 分類號: G01N27/00
• 代理公司: 上海交達(dá)專利事務(wù)所 31201
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種傳感材料技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種多孔分級結(jié)構(gòu)室溫氯氣敏感材 料的制備方法。

背景技術(shù)

氯氣在工業(yè)上具有廣泛的應(yīng)用，60％以上的商業(yè)化學(xué)品在其生產(chǎn)過程中要用到氯氣，如各 種氯溶劑、致冷劑、分散推進(jìn)劑、洗滌劑、殺毒劑、燃料等的工業(yè)生產(chǎn)中。另一方面，氯氣也 是一種有毒氣體，具有刺激性及腐蝕性，特別容易損傷眼睛、呼吸道及肺部等器官。另外，氯 氣具有強(qiáng)氧化性，與工業(yè)廢水接觸能發(fā)生反應(yīng)生成如二惡英等氯代有機(jī)物，并通過食物鏈富集 而造成極大傷害。因此對氯氣進(jìn)行實時、實地監(jiān)測是非常有必要的。

現(xiàn)今國內(nèi)外常用的氣敏傳感器主要有：固體電解質(zhì)電化學(xué)傳感器、光纖化學(xué)傳感器、半導(dǎo) 體氣敏傳感器。其中以氧化錫為代表的寬帶隙半導(dǎo)體氣敏傳感器因具有穩(wěn)定性好、靈敏度高、 體積小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、使用方便等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于檢測、報警、防災(zāi)、測量分析 等領(lǐng)域。

圍繞二氧化錫氣敏材料的制備，已有不少文獻(xiàn)報道。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專 利文獻(xiàn)號CN101368930A，記載了一種“鹵素制冷劑檢測傳感器敏感材料及氣敏元件的制備方 法”，該技術(shù)制備了對鹵素制冷劑具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)恢復(fù)時間短的氣敏元件。該 技術(shù)一方面工藝復(fù)雜，所制得的粉末常常分布不均勻，結(jié)構(gòu)松散，不具備精細(xì)有效的分級結(jié)構(gòu)， 限制了氣敏性發(fā)揮；另一方面較高的工作溫度(250-350℃)，增加了元件的能耗和體積，從而 增加了制造成本?，F(xiàn)階段有研究表明多孔分級結(jié)構(gòu)能夠降低氣敏元件的工作溫度和提高選擇 性，被認(rèn)為能夠有效改善金屬氧化物半導(dǎo)體材料的氣敏性質(zhì)。因此，研制一種多孔分級結(jié)構(gòu)的 金屬氧化物室溫氣敏材料，可以簡便、快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)地監(jiān)測氯氣等氣體將會有很大的市場 應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種多孔分級結(jié)構(gòu)室溫氯氣敏感材料的制備方 法，工藝簡單靈活，成本低廉，能通過對金屬氧化物的晶粒尺寸、多孔分級結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效控制 而獲得具有優(yōu)良性能的氣敏傳感材料，制備的這種多孔分級結(jié)構(gòu)的氣敏材料能在室溫下對低濃 度Cl₂的檢測具有快速的響應(yīng)和恢復(fù)。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明采用油菜花粉為原材料，經(jīng)預(yù)處理后浸漬在錫 鹽的前驅(qū)液中，再經(jīng)水解干燥和氧化灼燒處理得到氧化錫材料，經(jīng)涂覆于基底表面并經(jīng)老化處 理后制成多孔分級結(jié)構(gòu)室溫氯氣敏感材料。

所述的預(yù)處理是指：將花粉在無水酒精中反復(fù)漂洗干凈并晾干。

所述的前驅(qū)液是指：濃度為0.5-1M，溶質(zhì)為SnCl₄或SnCl₄與CTAB(十六烷基三甲基溴 化銨)的混合物，溶劑為乙醇。

所述的浸漬是指：將預(yù)處理后的油菜花粉置于前驅(qū)液中浸漬4-14小時后過濾分離出花粉；

所述的水解干燥是指：用乙醇清洗浸漬后的油菜花粉3次并依次用去離子水清洗、用氨水 調(diào)節(jié)pH值控制水解，最后過濾分離得到花粉放入干燥箱干燥。

所述的氧化灼燒處理是指：將水解干燥后的油菜花粉置于氧化爐中以1-5℃/分鐘的升溫速 度升溫至500-800℃并保溫1-3小時進(jìn)行灼燒處理，然后停止供熱，待爐腔自然冷至室溫后取 出灼燒產(chǎn)物為白色粉末，即得到具有分級多孔結(jié)構(gòu)的氧化錫氣敏材料。

所述的涂覆于基底表面是指：將氧化錫氣敏材料研磨后，用適量的去離子水及適量的乙二 醇調(diào)成糊狀，并均勻敷在基底表面。

所述的老化處理是指：將基底置于500℃環(huán)境下老化穩(wěn)定處理1小時，制得多孔分級結(jié) 構(gòu)室溫氯氣敏感材料。

本發(fā)明利用花粉表面含有很多活性官能團(tuán)，對金屬離子有強(qiáng)吸附性，所以不需采用額外 的手段以提高錫鹽溶液的浸漬率；由于花粉是由有機(jī)分子有序組裝而成，在適當(dāng)?shù)臏囟认履鼙? 灼燒而完全去除，從而得到保留了生物多孔分級結(jié)構(gòu)的金屬氧化物粉末；制備得到的氧化錫粉 末為多孔分級結(jié)構(gòu)的空心微球，尺寸在10μm左右，且空心球殼由雙層平行管束圍繞而成，極 大地增加了氣敏材料的比表面積并有利于氣體在其中的傳輸；多孔分級結(jié)構(gòu)氧化錫空心微球的 表面形貌，微觀結(jié)構(gòu)及納米結(jié)構(gòu)單元的尺度(3.8-4.9nm)可通過燒結(jié)溫度的改變實現(xiàn)調(diào)控。

本發(fā)明方法工藝簡單，主要原料取材方便，成本低，且不會對環(huán)境造成污染，所合成的 多孔分級結(jié)構(gòu)氧化錫空心微球能在室溫下快速地選擇性監(jiān)測低濃度的氯氣，降低了元件制備成 本，提高了長期工作穩(wěn)定性。