[發明專利]一種基于氮摻雜雙金屬原位復合納米材料的苯乙烯氣體傳感器的制備方法及應用

有效

• 申請號: 201610101672.0
• 申請日: 2016-02-25
• 公開（公告）號: CN105675665B
• 公開（公告）日: 2018-04-03
• 發明（設計）人: 張勇;魏琴;李賀;范大偉;閆濤
• 申請（專利權）人: 濟南大學
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12
• 代理公司: 濟南譽豐專利代理事務所(普通合伙企業)37240
• 代理人: 李茜

技術領域

本發明涉及一種苯乙烯氣體傳感器的制備方法，具體是氮摻雜雙金屬原位復合納米材料所構建的氣敏傳感器，可用于檢測環境中苯乙烯氣體含量。屬于新型納米功能材料與環境監測技術領域。

背景技術

苯乙烯（Styrene，C₈H₈）是用苯取代乙烯的一個氫原子形成的有機化合物。苯乙烯氣體對環境有嚴重危害，對水體、土壤和大氣可造成污染，對人體的眼部和上呼吸道粘膜有刺激和麻醉作用。如果高濃度，會立即引起眼及上呼吸道粘膜的刺激，出現眼痛、流淚、流涕、噴嚏、咽痛、咳嗽等，繼之頭痛、頭暈、惡心、嘔吐、全身乏力等；嚴重者可有眩暈、步態蹣跚。

對于苯乙烯氣體的檢測方法主要有化學檢驗法和儀器檢驗法。化學檢驗法雖操作簡單，但靈敏度不高以及無法重復使用等缺點；儀器檢驗法，主要使用苯乙烯氣體檢測儀表對空氣中的苯乙烯氣體濃度進行定量檢測，具有靈敏度高、可重復使用、自動化程度高等優點，而被廣泛應用到工業生產當中。

對于儀器檢驗法所使用的苯乙烯氣體檢測儀，最核心的部件是對苯乙烯氣體具有定性定量響應的氣敏傳感器，也就是涂覆有不同納米功能材料的氣敏元件。氣敏傳感器是一種檢測特定氣體的傳感器，原理是基于聲表面波器件的波速和頻率會隨外界環境的變化而發生漂移。它主要包括半導體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學氣敏傳感器等，其中用的最多的是半導體氣敏傳感器。

靈敏度是氣敏傳感器氣敏特性的重要表征。靈敏度定義為傳感器在大氣氣氛中的電阻值R_a與傳感器在一定濃度的被測氣體氣氛中的電阻值R_g的比值，即

因此，探究吸附性強、穩定性能好、催化活性高、對苯乙烯氣體具有特異性識別和可定量檢測的氣敏傳感材料，進而制備具有靈敏度高、響應快速、恢復時間短等特性的苯乙烯氣體傳感器對工業生產、人類健康具有重要的應用價值，同時也是環境監測技術領域研究的重點和難點。

發明內容

本發明的目的在于提供一種制備簡單、靈敏度高、檢測快速的可用于苯乙烯氣體檢測的氣敏傳感器的制備方法，所制備的傳感器，可用于苯乙烯氣體的快速、靈敏檢測。基于此目的，本發明首先制備了一種二維片狀的磁性納米材料，即鐵和錳雙金屬原位復合的氮摻雜二氧化鈦納米片FeMn-N@TiO₂，利用該材料大的比表面積、介孔高氣體吸附特性和電子傳遞受材料表面氣體變化而影響敏感的諸多特性，實現了對苯乙烯氣體具有靈敏、快速響應的氣敏傳感器的構建。

本發明采用的技術方案如下：

1. 一種基于氮摻雜雙金屬原位復合納米材料的苯乙烯氣體傳感器的制備方法，所述的氮摻雜雙金屬原位復合納米材料為鐵和錳雙金屬原位復合的氮摻雜二氧化鈦納米片FeMn-N@TiO₂；

其特征在于，所述的制備方法包括以下制備步驟：

（1）FeMn-N@TiO₂的制備；

（2）苯乙烯氣體傳感器的制備；

其中，步驟（1）制備FeMn-N@TiO₂的具體步驟為：

首先，取0.8 mmol鐵鹽、0.8~1.2 mmol錳鹽和1 mmol銨鹽加入到5 mL鈦酸四丁酯中，攪拌過程中，緩慢加入0.5~0.8 mL氫氟酸，160~200 ℃下在反應釜中反應18~24小時，冷卻至室溫后，用超純水和無水乙醇離心洗滌三次后，50℃下真空干燥；然后，將研磨的粉末放入馬弗爐中，升溫速度為1~3 ℃/min，480~560℃下在氮氣保護下，煅燒10~60 min；最后，將煅燒后的粉末冷卻至室溫，即制得FeMn-N@TiO₂；

所述的鐵鹽選自下列之一：硫酸鐵、氯化鐵、硝酸鐵；

所述的錳鹽選自下列之一：硫酸錳、氯化錳、硝酸錳；

所述的銨鹽選自下列之一：硫酸銨、氯化銨、硝酸銨、碳酸銨；

步驟（2）制備苯乙烯氣體傳感器的具體步驟為：

首先，取步驟（1）中制備的FeMn-N@TiO₂ 100 mg和0.5~2.0 mmol鎂鹽置于研缽中，加入無水乙醇，研磨至糊狀后均勻涂覆在絕緣陶瓷管表面形成涂膜，在室溫下晾干；然后，將陶瓷管兩側的鉑絲以及加熱絲與底座進行焊接；最后，將焊接好的元件放置在檢測儀器中，通過調節加熱電壓至4.22V進行老化處理，即制得苯乙烯氣體傳感器；