一种臭氧气敏涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种臭氧气敏涂层的制备方法，以纳米TiO2掺杂的WCl6溶液作为喷涂原料，经火焰喷涂工艺，将喷涂原料喷涂沉积到基体上，得到厚度为200～1500nm的臭氧气敏涂层；纳米TiO2至少包含锐钛矿型纳米TiO2。本发明专利技术公开了一种臭氧气敏涂层的制备方法，采用火焰喷涂工艺，直接喷涂溶液制备得到具有多孔微纳米结构的TiO2‑WO3纳米复合涂层，该涂层对臭氧气体的灵敏度高；相较于等离子喷涂工艺，该喷涂工艺具有操作简单，流程少，且成本低的优点，可以实现大规模工业化生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及气敏涂层的
，尤其涉及一种臭氧气敏涂层及其制备方法。
技术介绍
臭氧气体是自然界中自然存在于我们大气层的一种气体，它的存在主要是由于阳光和某些化学物质之间的反应，并直接排放在大气环境中。臭氧是一种强氧化性气体，它是一把双刃剑，具有积极和消极方面。其中，作为积极方面，高浓度的臭氧在各个领域具有较高的应用潜力，如医药、食品、纺织、化学工业，以及净化的水和气体，空气脱臭等。臭氧也可以灭活实物中潜在的微生物包括细菌、真菌和病毒等。然而，臭氧是一个强大的氧化剂，作为其负面影响，不合适的臭氧浓度对我们的健康有较大影响。(如刺激呼吸系统、头疼、眼睛的烧灼感)。过量接触这种气体会引起各种健康问题，包括炎症和拥堵呼吸道；更高浓度臭氧则存在致命影响。因此，监测环境中的臭氧浓度是一个关键的任务。目前，传统的臭氧浓度检测分析方法很多，如紫外线(UV)吸收分析，电化学测量电流，阻抗光谱，电阻方法。然而，这些标准方法通常涉及复杂的空气取样，或者昂贵的分析设备。固态传感器是一种低成本的检测器件，非常适合环境监测。固态传感器具有高选择性，响应时间短，成本低，重量轻，制造简单，能耗低等优点。目前，常用的应用于臭氧检测的各种类型的金属氧化物半导体有氧化锌(SnO2)，氧化铟(InO2)，氧化钨(WO3)，氧化钛(TiO2)等。其中，WO3的晶体结构为畸变的ABO3钙钛矿结构，其熔点高，分解温度高，显>微结构和形貌稳定，因此在高温环境中利于提高传感器的长期有效使用的性能。研究发现，WO3对臭氧具有极高的灵敏度与分辨率。但由于实际环境的复杂性，气体的多样性等方面的因素影响，WO3也存在着稳定性不佳，连续工作存在信号漂移等问题。因此，人们逐渐关注在传感器材料的掺杂、复合等途径。其中，纳米TiO2具有低成本、热稳定性好、制备工艺简单等优点。研究表明，掺杂一定量的TiO2，不仅可细化晶粒，而且其强烈的光载流子效率，能大幅度提高金属氧化物表面的氧化活性位点，从而提高气体传感器的动态响应时间和恢复速度。因此，纳米TiO2与WO3的复合有望为灵敏度高和在线检测方便的臭氧气敏元件提供新的敏感材料。一般来说，影响臭氧传感器气敏特性的因素有灵敏性，选择性，稳定性，响应时间和重复性等，研究发现提高涂层的比表面积可显著改善其灵敏度。目前，纳米WO3涂层的传统制备技术主要有溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、等离子喷涂等。然而，传统的制备方法或对设备要求较高，或者沉积速率较低，或者局部沉积薄膜困难，或者沉积余气有毒有害等，越来越受到局限。所以要实现WO3涂层的大规模应用，亟需开发新型的低成本、高质量、大面积且适合工业化的涂层制备技术。目前，热喷涂工艺主要集中在等离子喷涂，且直接喷涂微米粉末，针对纳米涂层及纳米粉末，由于粉末尺寸小，质量轻，流动性差等特点，不适合直接用作喷涂原料，必须经过喷雾干燥和烧结致密化成球过程，制成质量稍大，流动性好的团聚型微米粉末才能进行喷涂。同时，等离子喷涂过程中，由于温度较高，纳米晶粒有长大的趋势，所制得的涂层结构不稳定，会影响涂层的气敏性。因此，开发低成本的溶液热喷涂工艺，制备能工业化、具有高灵敏性的微纳米结构臭氧气敏涂层，具有重大的研究价值，将带来极大的社会和经济效益。
技术实现思路
本专利技术公开了一种臭氧气敏涂层的制备方法，采用火焰喷涂工艺，直接喷涂溶液制备得到具有多孔微纳米结构的TiO2-WO3纳米复合涂层，该涂层对臭氧气体的灵敏度高；相较于等离子喷涂工艺，该喷涂工艺具有操作简单，流程少，且成本低的优点，可以实现大规模工业化生产。本专利技术公开了一种臭氧气敏涂层的制备方法，包括如下步骤：以纳米TiO2掺杂的WCl6液相前驱体作为喷涂原料，经火焰喷涂工艺，将喷涂原料喷涂沉积到基体上，得到厚度为200～1500nm的臭氧气敏涂层；所述的纳米TiO2至少包含锐钛矿型纳米TiO2。本专利技术采用的纳米TiO2可以是锐钛矿型纳米TiO2，也可以是由锐钛矿型纳米TiO2和金红石型纳米TiO2组成的混晶型纳米TiO2，如二氧化钛P25。作为优选，所述喷涂原料的制备步骤为：表面分散剂与去离子水混合得溶液Ⅰ，WCl6与无水乙醇混合得溶液Ⅱ，将溶液Ⅰ与溶液Ⅱ混合，搅拌均匀后加入纳米TiO2，再调节pH值为7～8，得到所述的喷涂原料；所述喷涂原料中WCl6的质量百分含量为2.5～10wt％，纳米TiO2的质量百分比含量为0.025～2wt％，表面分散剂的质量百分含量为0.08～0.15wt％，去离子水与无水乙醇的体积比为1:1～5。作为优选，所述喷涂原料中，纳米TiO2与WCl6的质量比为1～10:100。作为优选，所述的表面分散剂包括但不限于聚乙二醇600、聚乙烯醇、十六烷基三甲基溴化铵、聚甲基丙烯酸铵、聚丙烯酸铵、聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种。作为优选，所述火焰喷涂工艺的具体步骤为：配制的喷涂原料在压缩空气A作用下，以20～50ml/min的速率通过雾化嘴，并垂直送入火焰根部；所述的火焰喷涂工艺以O2为助燃气，压力为0.5～0.8Mpa，流量为2.0～3.5Nm3/h；以C2H2为燃气，压力为0.05～0.2Mpa，流量为1.0～3.0Nm3/h；以压缩空气B为辅助气，压力为0.4～1.0Mpa，流量为2.0～3.5Nm3/h；喷涂距离为100～200mm，机械手移动速度100～300mm/s，涂层喷涂遍数为5～15遍。喷涂原料经喷嘴送入火焰根部后，随火焰喷雾热解过程中W(OH)6迅速蒸发失去水形成WO3，最后沉积在基体表面。作为优选，所述压缩空气A的压力0.2～0.7Mpa，雾化嘴的直径为0.2～1.0mm。作为优选，所述基体包括但不限于硅片、氧化铝、45号钢或304不锈钢。所述基体在使用之前需要经过清洗及除油除锈处理。本专利技术还公开了根据上述方法制备的臭氧气敏涂层，为具有多孔微纳米结构的TiO2-WO3纳米复合涂层，涂层中WO3为单斜相纳米WO3，晶粒尺寸为5～30nm。为了表征产物-臭氧气敏涂层的性能，利用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(SEM)和XED-WS-60A型气敏元件测试仪对制备获得的涂层样品进行表征，以下是具体的性能检测方法。(1)涂层物相检测：将制备的样品置于酒精溶液中超声处理30min，然后鼓风干燥箱中80°烘干3h，最后利用X射线衍射仪检测其物相。(2)表面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种臭氧气敏涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：以纳米TiO2掺杂的WCl6液相前驱体作为喷涂原料，经火焰喷涂工艺，将喷涂原料喷涂沉积到基体上，得到厚度为200～1500nm的臭氧气敏涂层；所述的纳米TiO2至少包含锐钛矿型纳米TiO2。

【技术特征摘要】
1.一种臭氧气敏涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
以纳米TiO2掺杂的WCl6液相前驱体作为喷涂原料，经火焰喷涂工艺，
将喷涂原料喷涂沉积到基体上，得到厚度为200～1500nm的臭氧气敏涂层；
所述的纳米TiO2至少包含锐钛矿型纳米TiO2。
2.根据权利要求1所述的臭氧气敏涂层的制备方法，其特征在于，
所述喷涂原料的制备步骤为：
表面分散剂与去离子水混合得溶液Ⅰ，WCl6与无水乙醇混合得溶液
Ⅱ，将溶液Ⅰ与溶液Ⅱ混合，搅拌均匀后加入纳米TiO2，再调节pH值为
7～8，得到所述的喷涂原料；
所述喷涂原料中WCl6的质量百分含量为2.5～10wt％，纳米TiO2的质
量百分比含量为0.025～2wt％，表面分散剂的质量百分含量为0.08～0.15
wt％，去离子水与无水乙醇的体积比为1:1～5。
3.根据权利要求2所述的臭氧气敏涂层的制备方法，其特征在于，
所述喷涂原料中，纳米TiO2与WCl6的质量比为1～10:100。
4.根据权利要求2所述的臭氧气敏涂层的制备方法，其特征在于，
所述的表面分散剂选自聚乙二醇600、聚乙烯醇、十六烷基三甲基溴化铵、
聚甲基丙烯酸铵、聚丙烯酸铵、聚乙烯吡咯烷酮中的至少...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄晶，龚永锋，所新坤，周平，刘奕，李华，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33