新型高选择性丙酮气敏传感器的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种新型高选择性丙酮气敏传感器的制备方法，适用于丙酮蒸汽具有高选择特性的气体传感器件制备的领域。本发明专利技术采用溶胶凝胶法，在制备掺杂Zn(OH)2胶体过程中，加入十六烷基三甲基溴化铵，再经过胶体烘干研磨，清洗，高温退火，将制得的材料用十六烷基三甲基溴化铵涂覆在陶瓷管上，低温退火后制得气敏传感器，进行老化。在胶体制备过程加入十六烷基三甲基溴化铵有助于生成稳定胶体；涂覆在陶瓷管上使用十六烷基三甲基溴化铵，起到粘合作用，而且在经过低温退火，十六烷基三甲基溴化铵可提高气敏传感器的灵敏度。本发明专利技术制备的气敏元件对丙酮蒸气有敏感特性，可在众多有机蒸气中，检测出丙酮蒸气。

Preparation of a new high selective acetone gas sensor

The invention relates to a new preparation method of a highly selective acetone gas sensor, which is suitable for the field of acetone steam with high selection characteristics of gas sensors. The invention adopts the sol-gel method in the preparation of doped Zn (OH) 2 colloidal process, adding sixteen alkyl three methyl bromide, after drying colloid grinding, cleaning, annealing, the prepared material with sixteen alkyl three methyl bromide coated on a ceramic tube, low temperature annealing process gas sensor, aging. In the process of preparation of colloid with sixteen alkyl three methyl bromide contributes to the formation of stable colloid; coated on a ceramic tube with sixteen alkyl three methyl bromide, the adhesion, and after annealing, sixteen alkyl three methyl bromide can improve the sensitivity of gas sensor. The gas sensitive element prepared by the invention is sensitive to acetone vapor, and can detect acetone vapor in many organic vapors.

【技术实现步骤摘要】
新型高选择性丙酮气敏传感器的制备方法
：本专利技术属于一种丙酮蒸汽具有高选择特性的气体传感器件的制备方法。技术背景：随着社会环保意识逐步加强，气敏传感器已被广泛应用于国内的石油、化工、冶金、制药、食品、医疗、道路交通、市政燃气、数字矿山等行业。氧化物半导体气敏传感器，由于其灵敏度高、响应快、体积小、能耗与成本低、操作简单等特点，广泛应用在对各种目标气体的检测上。材料的制备工艺对气敏性能影响很大，相应的形态有烧结型、厚膜型和薄膜型。目前实验室制备的纳米材料包括纳米颗粒、纳米线、纳米带、纳米环、纳米管、纳米通道和孔洞等。丙酮是一种工业及实验室广泛使用的有机溶剂，具有高度易燃性，长期接触会对人体造成巨大危害。目前，国内研制的丙酮传感器存在选择性差，产品一致性差，灵敏度低，响应-恢复时间长，针对丙酮气体的专门传感器还没有形成有效的产业化。国内的制备方法多为溅射法，本专利技术所述的制备方法制备气敏传感器元件，方法便捷，成本低廉，性能稳定，适合于工业生产。本专利技术所制备出的气敏元件对丙酮蒸气有高选择性，对丙酮的敏感特性好，而对于其他常见的有机蒸气(如乙醇，氨气，甲醛等)基本不敏感，可以实现可在众多的混合有机蒸气中，检测出丙酮蒸气的存在与否及其浓度。
技术实现思路
：本气敏器件采用溶胶-凝胶法制备铝掺杂Zn(OH)2胶体，胶体制备过程的化学反应原理为：Zn2++2OH-→Zn(OH)2Al3++3OH-→Al(OH)3Zn(CH3COO)·2H2O→Zn(C2H3O2)-→Zn(OH)2→ZnOAl(NO3)3·9H2O→Al3+→Al(OH)3→Al2O3本专利技术的制备方法为：a.制备掺杂Zn(OH)2胶体：将无水乙醇与去离子水按照1∶1-1∶2的体积比例混合，作为溶剂；以Zn(CH3COO)2·2H2O晶体作为溶质，配置Zn(CH3COO)2溶液，浓度范围为0.8-1mol/L；将十六烷基三甲基溴化铵与Zn(CH3COO)2溶液以1∶4-1∶5的体积比例混合以Al(NO3)3·9H2O作为掺杂剂，掺杂质量比为4-5wt％，加入到Zn(CH3COO)2溶液中混合；用搅拌机搅拌溶液，转速在80-150r/min，以0.1-1ml/min的滴速滴入NaOH溶液，用于调pH值，当pH＝7时停止滴入，继续搅拌0.5-1小时，关闭搅拌器，静置24小时得到胶体。所用的NaOH溶液与Zn(CH3COO)2溶液摩尔比为2∶1，所用溶剂同样为无水乙醇与去离子水按照1∶1-1∶2的体积比例混合的溶剂。b.将胶体用烘箱烘干为固体，温度为80-100℃，时间2-3小时，然后将固体研磨15-20min成粉末；将粉末用去离子水清洗，并用过滤纸过滤，在马费炉中300℃低温退火1-2小时，再次研磨粉末15-20分钟，清洗过程重复三次；将清洗后的粉末放入马费炉中进行600-800℃的高温退火2-3小时，制得Al2O3掺杂的ZnO粉末材料。c.将材料与十六烷基三甲基溴化铵按体积比4∶1-5∶1混合，然后涂覆在导线已焊接在基座上的陶瓷管(1)的中心部位(3)，涂覆厚度为1-100um；将陶瓷管放入马费炉中进行250-300℃的低温退火10-30分钟，得到Al2O3掺杂的ZnO基高选择性丙酮气敏传感器。所用的陶瓷管用于气敏特性测试，陶瓷管(1)内置有加热丝(4)，焊接在基座的加热回路中，加热丝(4)用来提高传感器的工作温度，陶瓷管两端的铂金丝导线(2)焊接在基座的加压电路中，用来检测陶瓷管阻值的变化。利用Al2O3-ZnO气敏元件表面随吸附丙酮蒸汽时，阻值会随其浓度变化而变化的原理，检测出环境当中丙酮的含量。d.将制得的气敏传感器进行控温控湿老化，温度为75-99℃，相对湿度30％-70％RH，时间5-7天。本专利技术与现有技术相比有如下优点：(1)本专利技术在制备Zn(OH)2胶体的过程中加入十六烷基三甲基溴化铵，有助于在成胶中形成稳定胶体，并且胶体烘干成固体的过程中，所加入的十六烷基三甲基溴化铵的结构可限制晶粒的长大，易于形成纳米晶粒。(2)本专利技术在将材料涂覆在陶瓷管上时使用十六烷基三甲基溴化铵，不仅起到粘合剂的作用，而且在经过低温退火后，一部分十六烷基三甲基溴化铵氧化排出膜外，增大了介孔结构，提高了材料的比表面积；同时，一部分C作为掺杂剂进入晶格，形成Al、C复合掺杂的ZnO，从而提高气敏传感器的灵敏度。(3)本专利技术通过对气敏传感器进行老化实验，提高传感器的稳定性。(4)制备方式简单，成本低。本专利技术采用溶胶-凝胶法制备胶体，室温即可满足胶体制备条件，并对丙酮具有很高的选择性、灵敏度和稳定性。主要用途：检测丙酮蒸汽及其浓度。附图说明：图1为高选择性丙酮气敏传感器的陶瓷管结构图图中1.陶瓷管，2.陶瓷管两端铂金丝导线，3.ZnO材料，4.加热丝。具体实施方式：实施例1：1.制备胶体(1)配置制备胶体的溶剂。将无水乙醇与去离子水按照1∶1的体积比例混合，搅拌至均匀。(2)用电子天平分别称取Zn(CH3COO)2·2H2O晶体和NaOH晶体，并分别与制备好的溶剂混合，制得浓度分别为0.8mol/L和1.6mol/L的溶液。(3)用电子天平称取w(Al2O3)为4.5wt％的Al(NO3)3·9H2O混合到Zn(CH3COO)2溶液中；(4)将十六烷基三甲基溴化铵与Zn(CH3COO)2溶液以1∶5的比例混合；(5)用搅拌机搅拌Zn(CH3COO)2溶液，转速约100r/min，将NaOH溶液以0.1ml/min的滴速滴入Zn(CH3COO)2溶液，用pH试纸检测溶液至pH＝7时停止；(6)形成胶体后继续搅拌0.5小时，关闭搅拌器，静置胶体24小时后得到胶体。2.烘干研磨胶体(1)将胶体用烘箱烘干，温度为100℃，时间2小时，烘干成固体。需要注意的是，为了防止胶体飞溅，起始温度因低于50℃，当胶体中的水分蒸发完毕后再调到100℃；(2)将固体研磨15min成粉末。3.清洗(1）将粉末倒入去离子水中搅拌，使粉末中的杂质完全溶解，用滤纸筛留较为纯净的粉末的剩余物，等待自然风干；(2)将剩余物用马弗炉300℃低温退火2小时，在研钵中将其充分研磨15min；(3)清洗过程重复3次。4.退火将粉末放入马弗炉中，退火温度700℃，恒温2小时，冷却24小时后取出即为所需Al2O3-ZnO粉体材料。5.制得气敏元件(1)将陶瓷管焊接到专用的基座上，并将Al2O3-ZnO粉体材料与十六烷基三甲基溴化铵5∶1的比例混合，然后涂抹在的陶瓷管(1)的中心部位(3)处，涂覆厚度为1um；(2)将制得的陶瓷管放入马费炉中低温退火10min，退火温度为300℃，恒温10min，24小时后拿出得到气敏元件；(3)用HW-30A型气敏测试仪测定其气敏特性，本专利技术的气敏元件对丙酮的响应时间为1秒，恢复时间为2秒。并且对丙酮具有很强的选择性，能够排除测量气氛中其他常见有机蒸汽的干扰。6.老化(1)将测试后的气敏传感器插入台式气敏元件老化台，在加热电压为4.5V，对应的加热温度为75℃，相对湿度为30％RH的条件下，老化7天。(2)用HW-30A型气敏测试仪测定其气敏特性，本专利技术的气敏元件对丙酮具有很强的选择性和稳定性。实施例2：1.制备胶体(1)配置制备胶体的溶剂。将无水乙醇与去离子水按照1∶2的体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型高选择性丙酮气敏传感器的制备方法，过程为制备掺杂Zn(OH)2胶体，胶体烘干研磨，清洗，高温退火，粉体涂敷低温退火和控温控湿老化；其特征在于：在制备掺杂Zn(OH)2胶体过程中，加入十六烷基三甲基溴化铵。

【技术特征摘要】
1.一种新型高选择性丙酮气敏传感器的制备方法，过程为制备掺杂Zn(OH)2胶体，胶体烘干研磨，清洗，高温退火，粉体涂敷低温退火和控温控湿老化；其特征在于：在制备掺杂Zn(OH)2胶体过程中，加入十六烷基三甲基溴化铵。2.根据权利要求1所述的一种新型高选择性丙酮气敏传感器的制备方法，其特征在于所述制备掺杂Zn(OH)2胶体过程的步骤为：将无水乙醇与去离子水按照1∶1-1∶2的体积比例混合作为溶剂；使用溶剂Zn(CH3COO)2·2H2O晶体配置Zn(CH3COO)2溶液；在Zn(CH3COO)2溶液中加入十六烷基三甲基溴化铵；在Zn(CH3COO)2溶液中加入掺杂剂Al(NO3)3·9H2O；使用溶剂和NaOH配置NaOH溶液；在搅拌过程中，将配置的NaOH溶液滴入Zn(CH3COO)2溶液中，同时监测pH值，当pH值达到7时，停止加入NaOH溶液；继续搅拌溶液0.5-1小时；静置胶体24小时得到胶体。3.根据权利要求1或2所述的新型高选择性丙酮气敏传感器的制备方法，其特征在于所述的制备掺杂Zn(OH)2胶体过程中，Zn(CH3COO)2溶液摩尔浓度为0.8-1mol/L，十六烷基三甲基溴化铵以1∶4-1∶5的体积比加入Zn(CH3COO)2溶液中。4.根据权利要求1或2所述的新型高选择性丙酮气敏传感器的制备方法，其特征在于所述的制备掺杂Zn(OH)2胶体过程中，在Zn(CH3COO)2溶液中加入掺杂剂Al(NO3)3·9H2O的掺杂质量比为4-5wt％。5.根据权利要求1或2所述的新型高选择性丙酮气敏传...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘国峰，李菲，陈静，李洋洋，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12