[發(fā)明專利]一種氣體傳感材料及其制備方法以及采用該材料制作的氣體傳感器

有效

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• 申請日: 2016-12-20
• 公開（公告）號: CN106940336B
• 公開（公告）日: 2020-04-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉詠;和祥;譚彥妮
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12
• 代理公司: 長沙朕揚知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 43213
• 代理人: 楊斌

本發(fā)明公開了一種氣體傳感材料及其制備方法，以及采用該材料制作的氣體傳感器。本發(fā)明所述氣體傳感材料的制備方法，以陽離子交換膜為模板進行仿生化合成，在溫度為40℃～60℃的條件下，電解沉積1h～3h，取陰極室電解沉積產(chǎn)物即制備得到所述氣體傳感材料。所述氣體傳感材料中包括微觀形貌呈管狀，直徑為5μm～30μm，長度為10～100μm的羥基磷灰石。采用本發(fā)明的氣體傳感材料制作氣體傳感器，可在室溫下對有毒、有害氣體進行有效檢測，具有響應(yīng)靈敏度高、響應(yīng)回復(fù)時間短、檢測到濃度低的優(yōu)點。本發(fā)明的氣體傳感材料的制備方法，環(huán)境友好，操作方法簡單，原材料比例可調(diào)，能耗低。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于氣體傳感材料領(lǐng)域，尤其涉及一種氣體傳感材料的制備方法及由該方法制備得到的氣體傳感材料，以及一種采用該材料制作的氣體傳感器。

背景技術(shù)

羥基磷灰石(Hydroxyapatite，化學(xué)式為Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂，縮寫為HAp)是自然骨和牙齒等生物硬組織的主要無機成分。HAp晶體為六方晶系，沿六方軸存在一個“隧道”，其“隧道”中有Ca²⁺和OH^-，易被Cd²⁺、Hg²⁺、Ba²⁺、Pd²⁺等金屬離子替換，Ca²⁺還能夠與含有羧基的有機酸、蛋白質(zhì)及氨基酸等發(fā)生交換反應(yīng)，因此HAp可以用作制備傳感器檢測重金屬離子、有害金屬離子、生物大分子等。HAp晶體表面有多重吸附位點，分別為帶正電的C位點和帶負(fù)點的P位點，對具有不同的荷電性質(zhì)的物質(zhì)，包括氣體，表現(xiàn)出優(yōu)越的吸附性能。HAp已經(jīng)較多的應(yīng)用于色譜分析以及電化學(xué)檢測，但是作為氣體傳感材料卻鮮有研究。R.U.Mene等人研究HAp對于CO、CO₂的氣體傳感性能發(fā)現(xiàn)，在165℃左右，HAp對于CO、CO₂具有良好的傳感性能，機理源于這些氣體分子與HAp表面的OH^-反應(yīng)生成CO₃^2-，進入HAp的晶格中，或者進行空位摻雜，從而導(dǎo)致HAp電導(dǎo)率的變化。HAp雖然對于氣體分子具有優(yōu)異的吸附性能，但是HAp作為一維導(dǎo)電體，導(dǎo)電性能太差，操作溫度較高，這大大限制了HAp在氣體傳感領(lǐng)域中的應(yīng)用。通過離子輻射技術(shù)(Swift heavy ions irradiation,SHI)和摻雜Fe、Co等元素，可以改變HAp的物理屬性和晶體結(jié)構(gòu)，包括提高材料表面電負(fù)性，形成了新的化學(xué)鍵和缺陷等，從而使HAp對CO₂氣體傳感的響應(yīng)靈敏度得到提高，操作溫度有所降低，但是距離實際應(yīng)用尚存差距。HAp在室溫條件下對有毒、有害氣體的氣敏性能研究，則至今沒有被報道過。

有毒、有害氣體對全球氣候，自然環(huán)境都存在嚴(yán)重危害，例如NH₃是一種劇毒大氣污染物，大氣中濃度只有幾個ppm也會使人身體不適，0.1％～0.15％濃度的NH₃會致人死亡，工業(yè)上空氣中允許NH₃最大質(zhì)量濃度是0.01mg/L；土壤中NH₃達到一定濃度會使植被中毒死亡，同時NH₃還能嚴(yán)重腐蝕各種設(shè)備。目前，用于NH₃檢測的氣敏材料主要有WO₃系列、SnO₂系列、ZnO半導(dǎo)體，除此之外還有ZnS、尖晶石型復(fù)合氧化物Zn₂SnO₄、鐵酸鑭系氧化物L(fēng)aFeO3、聚吡咯及聚苯胺等。但都普遍存在著工作溫度高，響應(yīng)恢復(fù)時間長，選擇性以及響應(yīng)度有待提高的問題。雖然近些年，也有在半導(dǎo)體復(fù)合材料如CuO-SnO₂，ZrO₂-SnO₂等中摻雜Fe，Ce，Au，Ag等其他貴金屬元素的做法，以及通過無機物-有機物與聚吡咯-WO₃復(fù)合的方法被廣泛用于提高對NH₃的氣敏性能，但仍還有待改進。綜上所述，研發(fā)一種在室溫條件下，能夠檢測微量濃度的NH₃有毒、有害氣體，并且具有高的選擇性、快速響應(yīng)回復(fù)以及低的工作溫度的氣體傳感材料非常迫切。