一种纳米纤维耦合结构气敏材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种纳米纤维耦合结构气敏材料及其制备方法和应用，该气敏材料是碳纳米纤维与SnO2纳米片的一维耦合结构，是以碳纳米纤维为主干，在其表面沉积生长大量的SnO2纳米片。以静电纺丝得到的含碳高分子纳米纤维经过预氧化、高温碳化过程制备碳纳米纤维，再以碳纳米纤维为主干，通过水热反应后续在纤维表面沉积生长SnO2纳米片，获得准一维耦合结构的纳米材料，之后组装成气体传感器。本发明专利技术提高了半导体材料的氢气传感性能，除了灵敏度提高外，器件的操作温度和响应~回复时间也得到了极大的改善，制备工艺简单，便于操作和重复，且生产设备简单方便，对生产条件要求较低，生产成本低廉，具有广阔的市场应用前景，易于推广和应用。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米纤维耦合结构气敏材料及其制备方法和应用
本专利技术属于纳米半导体传感
，具体涉及一种利用静电纺丝技术并结合水热合成技术制备具有耦合结构的纳米半导体材料，具体涉及一种纳米纤维耦合结构气敏材料及其制备方法和应用，用于构筑高性能氢气传感器。
技术介绍
科技发展使得现代工业化程度不断提高，近年来，在生产过程中使用的气体以及在生产过程中生成的气体的种类、数量也随之增多。其中很多气体是易燃，易爆，有毒的(如乙醇、氢气、⑶、！！23、等因而为了确保安全生产，就必须对气体在储存、运输、使用等方面加强监测与管理。所以在诸多的传感器中气体传感器应用的领域广泛，意义深远，并且具有巨大的商业价值，气体传感器的研发引起各国的广泛关注。然而，随着人们的应用发现虽然在很多方面气体传感器发挥着巨大的作用，但是市场上现有的气体传感器也存在着例如灵敏度低，响应恢复时间长，以及功耗大，选择性差等缺点，在很大程度上已经远远不能满足当前的电子工业以及生产生活需要，尚需要进一步提高。目前围绕改善气敏材料综合性能，研究者们主要利用了增加敏感活性位点、掺杂微量金属或金属氧化物、修饰贵金属、构筑异质结以及强化气敏机理研究等方法，正是基于这些研究结果，开发新型纳米结构半导体，加强材料对敏感过程(例如电子转移等)的控制，对于提高材料的气敏性能具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术提供了一种纳米纤维耦合结构气敏材料及其制备方法和应用，提高了半导体材料的氢气传感性能，灵敏度提高，制备工艺简单，便于操作。 为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案予以实现: 一方面，本专利技术提供一种纳米纤维耦合结构气敏材料，该气敏材料是碳纳米纤维与81102纳米片的一维耦合结构，是以碳纳米纤维为主干，在其表面均匀沉积生长大量的无机81102纳米片。 一种上述纳米纤维耦合结构气敏材料的制备方法，包括如下步骤:八、将可溶性含碳高分子化合物配置成溶液；8、将步骤八得到的溶液放入静电纺丝设备中进行电纺丝，从而在阴极接收板上获得含碳高分子化合物的纳米纤维；匕收集步骤8的纳米纤维，在空气中放置、预氧化，然后在高温惰性气体氛围中碳化，之后在惰性气体氛围中自然冷却至室温，得到碳纳米纤维；0、将步骤得到的碳纳米纤维与3=(?进行水热反应，从而在碳纳米纤维表面水热生长大量的5叫纳米片，即得到3！1027碳纳米纤维耦合结构气敏材料。 进一步地，上述制备方法具体包括如下步骤:A、将0.3?lg可溶性含碳高分子化合物加入到5?10ml溶剂中配置成溶液，在室温?100°C条件下搅拌至溶液完全澄清，然后冷却至室温，所述溶剂采用N，旷二甲基甲酰胺、无水乙醇和去离子水中的一种或几种；B、将步骤A得到的溶液放入静电纺丝设备的玻璃喷丝管中，玻璃喷丝管的管头内径为0.5^3 mm，以铝套为阳极，用铝箔或不锈钢板作为阴极板接受产物，两极间的距离为1(Γ30cm，在两极间施加6?30 KV的电压进行电纺丝，从而在阴极接收板上获得含碳高分子化合物的纳米纤维；C、把阴极板上得到的含碳高分子化合物的纳米纤维收集起来，在空气中放置1(Γ20小时，然后在一定温度下空气中预氧化一定时间，在高温惰性气体氛围中碳化一定时间，之后在惰性气体氛围中自然冷却至室温，从而得到直径5(T300 nm的碳纳米纤维；D、称取5?10mg步骤C中获得的碳纳米纤维投入30?80 mL的10 mM的巯基乙酸水溶液中，超声分散1?5小时；先后加入0.05?0.2 g SnCl2，0.5?1 mL 37%的HC1溶液，0.3?0.8g尿素，搅拌均匀，将该溶液转移到水热反应釜的体系中，进行水热反应，从而在碳纳米纤维表面水热生长大量的Sn02纳米片，然后将产物分离、洗涤干燥，即得到Sn02/碳纳米纤维耦合结构气敏材料。 其中，所述可溶性含碳高分子化合物是聚丙烯腈或聚乙烯吡咯烷酮。 其中，所述步骤C碳纳米纤维的制备过程中，含碳高分子纳米纤维预氧化温度为15(T300°C，预氧化时间2?24小时。 其中，所述步骤C碳纳米纤维的制备过程中，含碳高分子纳米纤维碳化温度60(Tl000°C，碳化时间Γ5小时。 其中，所述步骤C纳米纤维碳化过程所用的惰性气体为氮气、氩气、氮气/co2混合气、IS气/ co2混合气中的一种。 其中，所述步骤D的水热反应条件是12(T200°C，反应:Γ48小时。 一种上述述纳米纤维耦合结构气敏材料的应用，所述气敏材料用于制备气体传感器。 所述气体传感器采用旁热式气敏元件结构，具体组装如下:称取适量的Sn02/碳纳米纤维耦合结构气敏材料放入玛瑙研钵中，滴加少量去离子水，按一定方向将其研磨成均匀浆状物；使用涂料笔将上步制得的浆状物均匀涂布在陶瓷管芯外表面上，使其完全盖住陶瓷管表面两端的金电极，然后对其进行干燥、烧结；将陶瓷管芯焊接在元件基座上；安装加热电阻丝后并将其焊接在元件基座上，然后安装外罩套环。 为保证传感器的稳定性，将气敏元件在一定电流下老化48 h后待用。 本专利技术制备得到的气体传感器具有较低的最佳操作温度，并且灵敏度、响应?回复及选择性远远超过了其它传统Sn02基气体传感器。 本专利技术利用静电纺丝技术并结合水热合成技术制备具有耦合结构的纳米半导体材料，用于构筑高性能气体传感器。 准一维微纳米结构由于具有大的比表面积与长径比，以及优异的一维电子传输特性，近年来备受关注。而静电纺丝技术是一种能够生产超长连续的一维微纳米材料的方法，且该技术具有设备简单，生产成本低，使用材料广泛以及产出纤维尺寸均匀，比表面积大等优点，已经被证明是一种有效的、方便的组装电子器件的新方法。因此在本专利技术中，提出了一种利用静电纺丝技术并结合水热合成技术制备具有耦合结构的复合半导体纳米纤维，并用于构筑高性能氢气传感器的方法。 该耦合结构的纳米材料是以电纺、碳化得到的碳纳米纤维为主干，通过水热反应后续在纤维表面沉积生长无机31102纳米片，获得准一维耦合结构的纳米材料。之后组装成气体传感器，该气体传感器对氢气表现出了优异的传感性能，低操作温度、高灵敏度、快速响应?回复以及好的选择性能超过了其它大多数氢气传感器。如水热反应24小时得到的碳纳米纤维/3=(?纳米片耦合结构的氢气传感器最佳操作温度为2001，且在该操作温度下对100卯III氢气的响应值达到了 16.4，响应时间6 8左右，回复时间15 8左右，而且器件对氢气传感表现出了优异的选择性。 本专利技术制备方法工艺简单，成本低廉，重复性好，能够制备出高性能的氢气传感器，可以为生产、生活以及电子领域高性能气体传感器的发展与应用开拓思路。 [0021〕 测试系统采用智能气敏分析系统，测试在室温、相对湿度为5%冊?20%冊的条件下进行。气体传感器的主要测试参数主要包括灵敏度、响应时间、选择性和稳定性。灵敏度是指气敏元件在空气中的阻值％与在被测气体中的阻值取的比值，标志着气敏元件对气体的敏感程度。灵敏度主要受传感器工作温度、被测气体浓度以及材料自身属性的影响。响应?回复时间是指从被测气体与气敏元件接触开始到气敏元件阻值达到恒定值，或者从恒定阻值到气体离开气敏元件所用的时间，它表示传感器对被测气体的响应?恢复速度。而选择性代表了气敏元件对不同本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米纤维耦合结构气敏材料，其特征在于：该气敏材料是碳纳米纤维与SnO2纳米片的一维耦合结构，是以碳纳米纤维为主干，在其表面沉积生长大量的SnO2纳米片。

【技术特征摘要】
1.一种纳米纤维稱合结构气敏材料，其特征在于:该气敏材料是碳纳米纤维与SnO2纳米片的一维耦合结构，是以碳纳米纤维为主干，在其表面沉积生长大量的SnO2纳米片。2.—种权利要求1所述纳米纤维耦合结构气敏材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤: A、将可溶性含碳高分子化合物配置成溶液； B、将步骤A得到的溶液放入静电纺丝设备中进行电纺丝，从而在阴极接收板上获得含碳高分子化合物的纳米纤维； C、收集步骤B的纳米纤维，在空气中放置、预氧化，然后在高温惰性气体氛围中碳化，之后在惰性气体氛围中自然冷却至室温，得到碳纳米纤维； D、将步骤C得到的碳纳米纤维与SnCl2进行水热反应，从而在碳纳米纤维表面水热生长大量的SnO2纳米片，即得到SnO2/碳纳米纤维耦合结构气敏材料。3.根据权利要求2所述气敏材料的制备方法，其特征在于具体包括如下步骤: A、将0.3?Ig可溶性含碳高分子化合物加入到5?1ml溶剂中配置成溶液，在室温?100°C条件下搅拌至溶液完全澄清，然后冷却至室温，所述溶剂采用N，N?二甲基甲酰胺、无水乙醇和去离子水中的一种或几种； B、将步骤A得到的溶液放入静电纺丝设备的玻璃喷丝管中，玻璃喷丝管的管头内径为0.5?3mm，以铝套为阳极，用铝箔或不锈钢板作为阴极板接受产物，两极间的距离为10?30cm，在两极间施加6?30KV的电压进行电纺丝，从而在阴极接收板上获得含碳高分子化合物的纳米纤维； C、把阴极板上得到的含碳高分子化合物的纳米纤维收集起来，在空气中放置10?20小时，然后在一定温度下空气中预氧化一定时间，在高温惰性气体氛围中碳化一定时间，之后在惰性气体氛围中自然冷却至室温，从而得到直径50?300nm的碳纳米纤维； D、称取5?1mg步骤C中获得的碳纳米纤维投入30?80mL的1mM的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王兆杰，魏桂涓，刘思远，姜婷婷，李振宇，王淑涛，安长华，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37