一种新型介孔多级结构纳米复合气敏材料及其制备方法与流程

2021-01-30 22:01:00|

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本发明涉及材料工程
技术领域：
，具体涉及一种新型介孔多级结构纳米复合气敏材料及其制备方法。
背景技术：
：伴随工业发展和社会进步，环境保护问题成为了全球热点，而大气保护尤为突出。因此制备高灵敏度，选择性好，响应快速的气敏材料受到了科学家的广泛关注。丙酮作为一种常见的有机挥发试剂，被广泛地应用在实验室和工厂。然而丙酮有一定的毒性，当人体吸入微量丙酮气体时会刺激鼻、喉，头晕等现象。当环境中的丙酮浓度达到2000-10000ppm时，可能导致头痛、支气管炎，甚至是昏迷等症状。因此，为了有效检测大气中丙酮浓度，防止其浓度超标，提早预警，制备出能快速，灵敏地检测出环境中丙酮的气敏材料来保证工作环境的安全和人体的健康变得迫在眉睫。α-fe2o3是一种重要的n型半导体材料，由于其环境友好性，化学稳定性，制备简单，成本较低，因此被广泛研究其在气敏应用领域。但现有技术所知，α-fe2o3纳米复合材料的敏感度相对较低，选择性不好，从而限制了它的实际应用，不利于高效检测气体。现有技术中制备的a-fe2o3/g-c3n4纳米复合物加强了对乙醇的气敏性，但是工作温度很高，且响应值不高(工作温度340，响应值8左右)。还有采用制备fe2o3/sno2纳米复合物增强了对乙醇的气敏性，但同样存在工作温度高，响应值不高的问题(工作温度320，响应值23)。专利cn106904659、专利cn104267068和专利cn105548270公开的都是二相复合材料，采用的都是在sno2表面生长a-fe2o3的技术，这种方式虽然能够对丙酮灵敏度有所提升，但灵敏度提升有限，而且工作温度仍然较高，即便在较低的工作温度条件下，其灵敏度也只有8.1。因此，如何降低α-fe2o3纳米复合材料的工作温度，增强其选择性，提高灵敏度成为了本领域技术人员有待解决的技术问题。技术实现要素：针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种新型介孔多级结构纳米复合气敏材料，以解决现有气敏材料工作温度较高、选择性较弱、灵敏度较低的问题。本发明还提供一种反应条件温和，绿色环保，易于实现的制备所述新型介孔多级结构纳米复合气敏材料的方法。为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种新型介孔多级结构纳米复合气敏材料，以sio2@sno2复合微球为内层，在sio2@sno2复合微球表面生长α-fe2o3纳米管。进一步，所述sio2@sno2复合微球的平均直径为400～600nm，α-fe2o3纳米管的直径为20～40nm，sio2@sno2/α-fe2o3纳米复合气敏材料的比表面积为50～70m2/g。进一步，sio2@sno2/α-fe2o3纳米复合气敏材料的介孔孔径小于12nm。本发明所述的新型介孔多级结构纳米复合气敏材料用于检测大气中丙酮浓度，所述丙酮浓度为5～500ppm。一种新型介孔多级结构纳米复合气敏材料的制备方法，制备本发明所述的新型介孔多级结构纳米复合气敏材料，包括以下步骤：1)用改进的stober法制备得到sio2微球；2)将步骤1)得到的sio2微球粉末分散在乙醇水溶液中，经过超声波处理，形成白色悬浊液a；3)将一定质量锡酸钠和尿素加入到白色悬浮液a中，搅拌均匀，得到白色悬浮液b；4)将白色悬浮液b转移至高温反应釜中，在150～180℃下反应12～36h，得到反应产物；5)步骤4)得到的产物冷却到室温后，上下分层，取下层浑浊物，用乙醇和去离子水交替清洗两遍，干燥得到sio2@sno2前驱体；6)将所述sio2@sno2前驱体在550～600℃煅烧6～10h，即得到sio2@sno2复合微球材料；7)取一定质量的所述sio2@sno2复合微球材料分散在去离子水中，形成白色悬浮液c；8)向白色悬浮液c中加入一定质量的三氯化铁和硝酸钠，随后加入适量盐酸，得到黄色悬浮液；9)将黄色悬浮溶液放入高温反应釜中在80～120℃下反应20～26h，得到反应产物；10)将步骤9)反应产物冷却至室温后，上下分层，取下层浑浊物，用乙醇和去离子水交替清洗三遍，然后干燥，得到sio2@sno2/α-fe2o3前驱体；11)将sio2@sno2/α-fe2o3前驱体在440～480℃条件下煅烧2～4h，得到红棕色的sio2@sno2/α-fe2o3纳米复合材料。进一步，步骤1)中得到的sio2微球平均粒径为400～600nm，乙醇水溶液的乙醇与水的体积比为1:3。进一步，sio2微球粉末、锡酸钠与尿素的质量比为1:1:5～10。进一步，sio2@sno2复合微球材料、三氯化铁和硝酸钠的质量比为1～1.2:2:36。进一步，步骤5)中，干燥的温度为60-100℃，干燥时间为12h；步骤6)中，升温速率1℃/min。进一步，步骤8)中硝酸钠与盐酸的摩尔比为1:1.5～2。相比现有技术，本发明具有如下有益效果：1、本发明sio2@sno2/α-fe2o3纳米复合材料，结构新颖，内层采用sio2@sno2复合微球，外层为α-fe2o3纳米管，具有较大的比表面积和化学稳定性，有利于气敏反应的进行。2、本发明中sio2@sno2/α-fe2o3纳米复合材料在被测气体范围(丙酮、甲醇、苯、甲苯和甲醛)对于丙酮气体有着高的选择性和敏感度。在300℃、90ppm的丙酮浓度下，气体敏感度高达32；相同条件下，是纯相α-fe2o3的1.8倍，sio2@sno2的30倍；同时在丙酮浓度5ppm时，本发明所述的纳米复合材料的气敏值高达到8。3、本发明所述sio2@sno2/α-fe2o3纳米复合材料制备方法采用的设备简单，反应条件较为温和，绿色环保，易于实现，便于推广。附图说明图1为本发明所制备的sio2@sno2/α-fe2o3纳米复合材料与纯相α-fe2o3与sio2@sno2在工作温度为300℃，浓度为90ppm下不同气体的敏感度对比图。图2为本发明所制备的sio2@sno2/α-fe2o3纳米复合材料与纯相α-fe2o3与sio2@sno2对丙酮敏感度的温度曲线。图3为本发明所制备的sio2@sno2/α-fe2o3纳米复合材料的扫描电镜图。图4为本发明所制备的sio2@sno2/α-fe2o3纳米复合材料的n2吸脱附曲线。具体实施方式下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。一、一种新型介孔多级结构纳米复合气敏材料，以sio2@sno2复合微球为内层，在sio2@sno2复合微球表面生长α-fe2o3纳米管。表1实施例1～4的各项属性参数通过表1可以看出，本发明所述的纳米复合气敏材料为三相复合物，先在sio2微球上生长sno2，再在sio2@sno2复合微球表面生长α-fe2o3，形貌新颖，通过这样的结构增大了材料的比表面积和其化学稳定性，降低了介孔孔径，使所述纳米复合气敏材料对于丙酮气体具有优异的敏感度，而且相较于现有气敏材料，工作温度有所降低，在被测气体范围(丙酮、甲醇、苯、甲苯和甲醛)对于丙酮气体有着高的选择性。其中，铁源浓度会影响纳米管的管径和整体的分散性，当超过0.0075mol/ml时，整体管径变粗且有团聚现象，分散效果变差，无法使α-fe2o3纳米管均匀的生长在sio2@sno2复合微球表面，会影响最终产品的性能；而当铁源浓度低于0.0015mol/ml时，形貌会发生改变不再是纳米管，无法在sio2@sno2复合微球表面生长形成α-fe2o3纳米管，导致产品灵敏度下降。二、sio2@sno2/α-fe2o3纳米复合材料的制备方法实施例11)先配置40ml的乙醇水溶液(v乙醇：v水＝3:5)，依次加入0.3ml的氨水，1ml正硅酸四乙酯，0.08g的十六烷基三甲基溴化铵，室温搅拌3小时，再将产物在120℃下老化12h，即可得到平均粒径大约为500nm的sio2微球。其中，可通过氨水浓度对sio2微球的平均粒径进行调整，氨水浓度越大，微球粒径越大，获得平均粒径大约为500nm的sio2微球，氨水的浓度应当不大于0.3mol/ml；2)将0.1gsio2粉末分散在25ml乙醇水溶液中(v乙醇：v水＝1:3)，超声半小时，形成白色悬浊液a；3)将0.1g的锡酸钠和0.8g的尿素加入到白色悬浮液a中，搅拌均匀，得到白色悬浮液b；4)将白色悬浮溶液b转移至50ml高温反应釜中在170℃下反应24h，得到反应产物；5)产物冷却到室温后，上下分层，取下层浑浊物，用乙醇和去离子水交替清洗2遍，然后60℃干燥12h，得到sio2@sno2前驱体；6)将sio2@sno2前驱体在580°煅烧8h，即得到白色的sio2@sno2纳米复合微球材料；7)取0.07gsio2@sno2纳米复合微球材料粉末分散在30ml去离子水中，形成白色悬浮液c；8)将4.5×10-3mol的三氯化铁和3×10-2mol的硝酸钠加入白色悬浮液c，搅拌均匀，随后加入1ml的盐酸，得到黄色悬浮液；9)将黄色悬浮溶液转移至50ml高温反应釜中在100℃下反应24h，得到反应产物；10)产物冷却到室温后，上下分层，取下层浑浊物，用乙醇和去离子水交替清洗3遍；然后60°干燥12h，得sio2@sno2/α-fe2o3前驱体；11)将sio2@sno2/α-fe2o3前驱体在450°煅烧3h，即得到红棕色的sio2@sno2/α-fe2o3纳米复合材料。实施例21)先配置40ml的乙醇水溶液(v乙醇：v水＝3:5)，依次加入0.25ml的氨水，0.5ml正硅酸四乙酯，0.08g的十六烷基三甲基溴化铵，室温搅拌3小时，再将产物在120℃下老化12h，即可得到平均粒径大约为400nm的sio2微球。其中，可通过氨水浓度对sio2微球的平均粒径进行调整，氨水浓度越大，微球粒径越大，获得平均粒径大约为400nm的sio2微球，氨水的浓度应当不大于0.25mol/ml；2)将0.1gsio2粉末分散在40ml乙醇水溶液中(v乙醇：v水＝1:3)，超声半小时，形成白色悬浊液a；3)将0.1g的锡酸钠和0.8g的尿素加入到白色悬浮液a中，搅拌均匀，得到白色悬浮液b；4)将白色悬浮溶液b转移至50ml高温反应釜中在160℃下反应20h，得到反应产物；5)产物冷却到室温后，上下分层，取下层浑浊物，用乙醇和去离子水交替清洗2遍，然后80℃干燥12h，得到sio2@sno2前驱体；6)将sio2@sno2前驱体在590°煅烧8h，即得到白色的sio2@sno2纳米复合微球材料；7)取0.07gsio2@sno2纳米复合微球材料粉末分散在30ml去离子水中，形成白色悬浮液c；8)将4.5×10-3mol的三氯化铁和3×10-2mol的硝酸钠加入白色悬浮液c，搅拌均匀，随后加入1ml的盐酸，得到黄色悬浮液；9)将黄色悬浮溶液转移至50ml高温反应釜中在120℃下反应24h，得到反应产物；10)产物冷却到室温后，上下分层，取下层浑浊物，用乙醇和去离子水交替清洗3遍；然后60°干燥12h，得sio2@sno2/α-fe2o3前驱体；11)将sio2@sno2/α-fe2o3前驱体在460°煅烧3.5h，即得到红棕色的sio2@sno2/α-fe2o3纳米复合材料。实施例31)先配置40ml的乙醇水溶液(v乙醇：v水＝3:5)，依次加入0.3ml的氨水，0.5ml正硅酸四乙酯，0.08g的十六烷基三甲基溴化铵，室温搅拌3小时，再将产物在120℃下老化12h，即可得到平均粒径大约为500nm的sio2微球。其中，可通过氨水浓度对sio2微球的平均粒径进行调整，氨水浓度越大，微球粒径越大，获得平均粒径大约为500nm的sio2微球，氨水的浓度应当不大于0.3mol/ml；2)将0.1gsio2粉末分散在25ml乙醇水溶液中(v乙醇：v水＝1:3)，超声半小时，形成白色悬浊液a；3)将0.1g的锡酸钠和0.8g的尿素加入到白色悬浮液a中，搅拌均匀，得到白色悬浮液b；4)将白色悬浮溶液b转移至50ml高温反应釜中在175℃下反应36h，得到反应产物；5)产物冷却到室温后，上下分层，取下层浑浊物，用乙醇和去离子水交替清洗2遍，然后100℃干燥12h，得到sio2@sno2前驱体；6)将sio2@sno2前驱体在600°煅烧8h，即得到白色的sio2@sno2纳米复合微球材料；7)取0.07gsio2@sno2纳米复合微球材料粉末分散在30ml去离子水中，形成白色悬浮液c；8)将4.5×10-3mol的三氯化铁和3×10-2mol的硝酸钠加入白色悬浮液c，搅拌均匀，随后加入1.2ml的盐酸，得到黄色悬浮液；9)将黄色悬浮溶液转移至50ml高温反应釜中在120℃下反应26h，得到反应产物；10)产物冷却到室温后，上下分层，取下层浑浊物，用乙醇和去离子水交替清洗3遍；然后60°干燥12h，得sio2@sno2/α-fe2o3前驱体；11)将sio2@sno2/α-fe2o3前驱体在480°煅烧4h，即得到红棕色的sio2@sno2/α-fe2o3纳米复合材料。实施例41)先配置40ml的乙醇水溶液(v乙醇：v水＝3:5)，依次加入0.3ml的氨水，0.5ml正硅酸四乙酯，0.08g的十六烷基三甲基溴化铵，室温搅拌3小时，再将产物在120℃下老化12h，即可得到平均粒径大约为500nm的sio2微球。其中，可通过氨水浓度对sio2微球的平均粒径进行调整，氨水浓度越大，微球粒径越大，获得平均粒径大约为500nm的sio2微球，氨水的浓度应当不大于0.3mol/ml；2)将0.1gsio2粉末分散在25ml乙醇水溶液中(v乙醇：v水＝1:3)，超声半小时，形成白色悬浊液a；3)将0.1g的锡酸钠和1g的尿素加入到白色悬浮液a中，搅拌均匀，得到白色悬浮液b；4)将白色悬浮溶液b转移至50ml高温反应釜中在180℃下反应32h，得到反应产物；5)产物冷却到室温后，上下分层，取下层浑浊物，用乙醇和去离子水交替清洗2遍，然后90℃干燥12h，得到sio2@sno2前驱体；6)将sio2@sno2前驱体在500°煅烧10h，即得到白色的sio2@sno2纳米复合微球材料；7)取0.08gsio2@sno2纳米复合微球材料粉末分散在30ml去离子水中，形成白色悬浮液c；8)将4.5×10-3mol的三氯化铁和3×10-2mol的硝酸钠加入白色悬浮液c，搅拌均匀，随后加入1ml的盐酸，得到黄色悬浮液；9)将黄色悬浮溶液转移至50ml高温反应釜中在110℃下反应20h，得到反应产物；10)产物冷却到室温后，上下分层，取下层浑浊物，用乙醇和去离子水交替清洗3遍；然后60°干燥12h，得sio2@sno2/α-fe2o3前驱体；11)将sio2@sno2/α-fe2o3前驱体在440°煅烧3.5h，即得到红棕色的sio2@sno2/α-fe2o3纳米复合材料。三、sio2@sno2/α-fe2o3纳米复合材料用于气体敏感度检测待表面覆着sio2@sno2/α-fe2o3纳米复合材料的半导体陶瓷元件制做好，将陶瓷管焊接在六角底座上，一根镍铬合金属丝从陶瓷管内部穿过，用作控制加热温度的加热丝。将制备好的气敏元件嵌入到工作台中，进行气体敏感度检测。参见图1，为本发明实施例1所制备的sio2@sno2/α-fe2o3纳米复合材料与纯相α-fe2o3与sio2@sno2对丙酮敏感度的温度曲线。由图可见，在300℃时，对丙酮的特异性敏感度最高。参见图2，为本发明实施例1所制备的sio2@sno2/α-fe2o3纳米复合材料与纯相α-fe2o3与sio2@sno2在工作温度为300℃，浓度为90ppm下不同气体的敏感度对比图。结果显示，在300℃、浓度90ppm，相对于甲苯，苯，甲醛，甲醇，sio2@sno2/α-fe2o3纳米复合材料对丙酮展现了良好的选择性。参见图3，为本发明实施例1所制备的sio2@sno2/α-fe2o3纳米复合材料的扫描电镜图，结果显示，为直径约2μm的海胆状空心微球。参见图4，为本发明实施例1所制备的sio2@sno2/α-fe2o3纳米复合材料的n2吸脱附曲线，结果显示，实施例1的比表面积为65.67m2/g，介孔孔径为9.4nm。由此可见，实施例1制备得到的sio2@sno2/α-fe2o3纳米复合材料与其他研究报道的纯相α-fe2o3与sio2@sno2材料对比，sio2@sno2/α-fe2o3纳米复合材料有着更好的气敏特性。表2本发明实施例1纳米复合材料与纯相α-fe2o3、sio2@sno2对丙酮敏感度的对比材料气敏测试条件灵敏度sio2@sno2/α-fe2o390ppm，300℃32α-fe2o390ppm，300℃19sio2@sno290ppm，300℃1sio2@sno2/α-fe2o390ppm，280℃26α-fe2o390ppm，280℃16sio2@sno290ppm，280℃1sio2@sno2/α-fe2o35ppm，300℃8α-fe2o35ppm，300℃5sio2@sno25ppm，300℃1sio2@sno2/α-fe2o3500ppm，300℃60.5α-fe2o3500ppm，300℃43sio2@sno2500ppm，300℃1通过表2可以看出，本发明所制备的sio2@sno2/α-fe2o3纳米复合材料的工作温度为280～300℃，其中，最佳工作温度为300℃，气体敏感度检测的浓度范围为5～500ppm。实施例1制备的纳米复合材料与纯相α-fe2o3、sio2@sno2相比，在(丙酮浓度为90ppm、300℃)下，本发明制备的纳米复合材料的灵敏度达到了32，优于其他两者；进一步，对于低浓度的丙酮(5ppm、300℃)，本发明制备的纳米复合材料的灵敏度为8，也明显优于纯相α-fe2o3和sio2@sno2。气敏检测的工作原理：在一定的温度下，半导体表面的氧气分子将得到半导体导带层的电子，形成吸附性氧(o2-,o-,o2-)。半导体氧化物由于失去电子，使得半导体的电阻发生改变。当目标气体加入后，与反应活性高的吸附性氧反应，并释放出先前得到的电子返回到半导体中，使得半导体的电阻恢复到最初的水平。最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。当前第1页1 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