一种双层结构的光催化式甲醛传感器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有双层结构的光催化式甲醛传感器及其制备方法。该甲醛传感器包括光源、电极、甲醛敏感材料层和甲醛吸附材料层，所述甲醛敏感材料层覆盖在所述电极上，所述甲醛吸附材料层覆盖在所述甲醛敏感材料层上。优选地，甲醛敏感材料层为镉掺杂氧化锌纳米颗粒，甲醛吸附材料层为多孔氧化硅纳米颗粒。所述光源为紫外光源，照射向该双层结构区域。当检测空气中的甲醛污染物时，甲醛吸附材料层能够增加甲醛敏感材料层表面的甲醛浓度，从而增加传感器敏感度，即能够提高对于低浓度甲醛的灵敏度。本发明专利技术大幅提高了镉掺杂氧化锌甲醛传感器对于低浓度甲醛的灵敏度，推动了该传感器的实用化进展，具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于甲醛气体监测、甲醛传感器
，具体涉及一种双层结构的光催化式甲醛传感器及其制备方法。
技术介绍
长期接触超过安全浓度限制的甲醛气体对人体健康非常有害，这可能会引起眼睛和喉咙的灼烧感，呼吸困难甚至会引起致命的疾病，例如鼻癌，骨髓性白血病等。目前在中国甲醛污染仍然非常严重，近70％新装修的房子都受到甲醛污染的困扰，因此在中国最令人担心的室内污染气体就是甲醛。对于空气质量产品，传感器的技术是非常重要的，这是因为如果消费者不确定空气质量产品的真实作用，那么他们就会对相关产品产生怀疑。目前商业化的传感器主要是基于电化学类型传感器，这类传感器由于用到铂金电极而变得非常昂贵，此外这类传感器的精确度、稳定性以及选择性都不尽如人意。和电化学传感器相比，半导体传感器有其特殊的优势，包括成本低、寿命长等，并且具有巨大的提升空间。目前的商用传感器都需要在200℃以上工作，而在此温度上几乎所有的有机污染物都可以反应和探测，所以这类传感器的选择性非常差。为了提高对气体的选择性，部分科研工作者也做出了室温下工作的光催化半导体甲醛传感器，不过对于应用而言这些传感器的检测下限(大于1ppm)仍然非常高。表1列举了一些现有的传感材料的以及其存在的问题。表1.现有的传感材料专利申请CN2007153341(甲醛空气传感材料及甲醛空气传感设备制备方法)涉及到甲醛气体传感材料及其制备方法，还包括甲醛气体传感器件的制作方法。该传感材料是由SnO2-TiO2二元纳米粉末组成，Ti/Sn的摩尔比为0.2-0.5，并掺入2％-5％的镉，将材料与无水乙醇和聚乙二醇共同研磨至糊状，而后将其均匀的涂到电极管上，将电极管在400℃退火2-4小时后通过焊接、老化、密封即可得到甲醛气体传感器。该传感器操作温度低、对甲醛的灵敏度高并且对于苯、甲苯、二甲苯、氨等室内污染气体具有很强的抗干扰能力，并且具有很短的响应时间和回复时间的特点。该传感器主要用于探测室内装修产生的甲醛气体。但该传感器的工作温度为260-300℃，在该温度下几乎所有的室内有机污染物都可以在传感材料表面被氧化，所以材料的选择性不尽如人意，特别是不能很好的区分乙醇和甲醛。此外该技术的探测下限为20ppm，这比安全浓度(0.06ppm)高出两个数量级。专利申请CN201410461045.9(一种光催化甲醛传感材料及其合成方法和甲醛传感器)涉及一种光催化甲醛传感材料及其合成方法和甲醛传感器。该光催化甲醛传感材料主要由氧化锌纳米颗粒以及镉添加剂组成。合成该材料的过程中，首先将预先合成的氧化锌纳米颗粒均匀分散在镉盐溶液中，搅拌并同时蒸干溶剂，将得到的沉淀物高温煅烧后研磨并均匀分散在特定溶剂中形成浆料，最后将浆料悬涂在印有特定图案的电极上从而得到甲醛传感器。该方案提供了一种低成本、高灵敏度、高选择性的光催化甲醛传感材料，通过优化镉在氧化锌中的掺入量，大大降低了成本，提高了选择性，并显著改善了检出限。然而，虽然该技术将甲醛的检测下限降到了0.5ppm，但依然比安全浓度(0.06ppm)高出近一个数量级，不适于在生活环境中实际应用。
技术实现思路
本专利技术针对上述问题，提供一种具有双层结构的光催化式甲醛传感器及其制备方法，能够提高甲醛传感器的灵敏度。本专利技术采用的技术方案如下：一种双层结构的光催化式甲醛传感器，其特征在于，包括光源、电极、甲醛敏感材料层和甲醛吸附材料层，所述甲醛敏感材料层覆盖在所述电极上，所述甲醛吸附材料层覆盖在所述甲醛敏感材料层上。进一步地，所述光源的位置以能够照射所述所述甲醛敏感材料层为宜。比如将光源设置在甲醛吸附材料层一侧，甲醛吸附材料层具有透光性，光源发出的光通过甲醛吸附材料层到达甲醛敏感材料层。或者将光源设置在甲醛敏感材料层一侧，直接照射所述甲醛敏感材料层。此时为避免电极部分将光挡住，可以采用能够透过紫外光的透明电极。进一步地，所述甲醛敏感材料层为镉(Cd)掺杂氧化锌纳米颗粒，所述甲醛吸附材料层为多孔氧化硅纳米颗粒。进一步地，所述甲醛敏感材料层的厚度为5微米～100微米，所述甲醛吸附材料层的厚度为1微米～50微米。进一步地，所述光源为紫外光源，比如365nm波长的紫外灯管或385nm波长的紫外发光二极管；所述电极为叉指电极、阵列电极、或带状电极。一种制备上述双层结构的光催化式甲醛传感器的方法，其步骤包括：1)合成镉掺杂氧化锌纳米颗粒：将预先制备好的氧化锌纳米颗粒浸入到镉盐溶液中，然后升温使溶剂挥发，并加热使样品干燥，随后对样品进行煅烧，煅烧后将样品研磨成细粉末并用乙醇分散形成浆料；2)合成多孔氧化硅纳米颗粒：将水、乙醇、CATC(十六烷基三甲基氯化铵)、DEA(二乙醇胺)混合并在水浴中加热，然后将TEOS(正硅酸乙酯)通过边滴加边搅拌的方式加入到混合物中，继续搅拌一定时间后将产物分散到乙醇中形成溶胶分散液；3)将步骤1)制备的镉掺杂氧化锌浆料涂覆在电极之上，并烘干使溶剂挥发，然后将步骤2)制备的多孔氧化硅的溶胶分散液涂覆在镉掺杂氧化锌层之上，并烘干使溶剂挥发，然后增加光源制成甲醛传感器。在检测甲醛时，用紫外光源照射双层结构区域，传感器在紫外光源照射下的电阻变化可以用于计算甲醛的浓度。进一步地，步骤1)将氧化锌纳米颗粒浸入到镉盐溶液中后，升温至70～90℃使溶剂挥发，并在该温度下加热10～14小时及110～130℃加热1～3小时使样品干燥，随后将样品在400～500℃(优选为450℃)进行煅烧。进一步地，步骤2)在所述混合之后，在50～70℃水浴中加热20～40分钟；将正硅酸乙酯加入到混合物中后继续搅拌1～3小时。本专利技术通过简便的方法，大幅提高了镉掺杂氧化锌甲醛传感器对于低浓度甲醛的灵敏度，推动了该传感器的实用化进展，具有良好的应用前景。附图说明图1是本专利技术的甲醛传感器结构示意图。图2是本专利技术优选的传感器双层结构部分示意图。图3是双层结构传感器制作步骤示意图。图4是多孔氧化硅纳米颗粒(样品量5mg，测试容器1L)的静态吸附性能图。。图5是涂覆多孔氧化硅纳米颗粒、ZIF-8及活性炭吸附材料层后对于甲醛灵敏度的对比图。图6是镉掺杂氧化锌传感器与增加了多孔氧化硅涂层传感器的甲醛灵敏度曲线对比图。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本专利技术做进一步说明。由于中国严重的室内装修污染问题，急需一种低成本、高选择性的甲醛传感器产品。本专利技术提供一种具有双层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双层结构的光催化式甲醛传感器，其特征在于，包括光源、电极、甲醛敏感材料层和甲醛吸附材料层，所述甲醛敏感材料层覆盖在所述电极上，所述甲醛吸附材料层覆盖在所述甲醛敏感材料层上。

【技术特征摘要】
1.一种双层结构的光催化式甲醛传感器，其特征在于，包括光源、电极、甲醛敏感材料层和
甲醛吸附材料层，所述甲醛敏感材料层覆盖在所述电极上，所述甲醛吸附材料层覆盖在所
述甲醛敏感材料层上。
2.如权利要求1所述的双层结构的光催化式甲醛传感器，其特征在于：所述光源设置在所述
甲醛吸附材料层一侧，所述甲醛吸附材料层具有透光性，所述光源发出的光通过所述甲醛
吸附材料层到达所述甲醛敏感材料层。
3.如权利要求1所述的双层结构的光催化式甲醛传感器，其特征在于：所述光源设置在所述
甲醛敏感材料层一侧，直接照射所述甲醛敏感材料层。
4.如权利要求1至3中任一项所述的双层结构的光催化式甲醛传感器，其特征在于：所述甲
醛敏感材料层为镉掺杂氧化锌纳米颗粒，所述甲醛吸附材料层为多孔氧化硅纳米颗粒。
5.如权利要求4所述的双层结构的光催化式甲醛传感器，其特征在于：所述甲醛敏感材料层
的厚度为5～100微米，所述甲醛吸附材料层的厚度为1～50微米。
6.如权利要求1所述的双层结构的光催化式甲醛传感器，其特征在于：所述光源为紫外光源，
所述电极为叉指电极、阵列电极或带状电极。
7.如权利要求6所述的双层结构的光催化式甲醛传感器，其特征在于：所述紫外光源为365n...

【专利技术属性】
技术研发人员：常兴华，刘宇，郑捷，李星国，
申请(专利权)人：北京大学，夏普株式会社，
类型：发明
国别省市：北京;11