以Al2O3/α-Fe2O3复合纳米纤维为敏感材料三乙胺传感器及其制备方法技术

一种以Al2O3/α‑Fe2O3复合纳米纤维为敏感电极材料的三乙胺传感器及其制备方法，属于气体传感器技术领域。传感器由上表面带有2个分立的L形金电极、下表面带有氧化钌加热层及在氧化钌加热层表面带有2个分立的矩形金电极的Al2O3绝缘陶瓷板、涂覆在L形金电极和Al2O3绝缘陶瓷板上表面的Al2O3/α‑Fe2O3复合纳米纤维敏感材料薄膜组成。Al2O3的加入，改变了α‑Fe2O3半导体纳米纤维的形貌特征，抑制了α‑Fe2O3晶粒的生长，增加了敏感材料的比表面积，从而提高传感器的灵敏度。同时，Al2O3/α‑Fe2O3复合纳米纤维疏松多孔的结构使得我们制作的三乙胺传感器有很快的响应时间，良好的重复性和响应恢复特性。该传感器的检测下限为1ppm，可用于室内环境中三乙胺蒸汽含量的检测。

Three ethylamine sensor based on Al2O3/ alpha -Fe2O3 composite nanofiber as sensitive material and its preparation method

The invention relates to a triethylamine sensor with Al2O3/alpha_Fe2O3 composite nanofiber as sensitive electrode material and a preparation method thereof, belonging to the technical field of gas sensors. The sensor consists of two discrete L-shaped gold electrodes on the upper surface, two ruthenium oxide heating layers on the lower surface and two discrete rectangular gold electrodes on the surface of the ruthenium oxide heating layer. The Al_2O_3/a_Fe_2O_3 composite nanofiber sensing material film is coated on the L-shaped gold electrode and the Al_2O_3 insulating ceramic plate. The addition of Al2O3 can change the morphology of the nanofibers, inhibit the growth of the crystal grains, increase the specific surface area of the sensitive materials, and improve the sensitivity of the sensor. At the same time, the porous structure of Al2O3/alpha_Fe2O3 composite nanofibers makes our triethylamine sensors have fast response time, good repeatability and response recovery characteristics. The detection limit of the sensor is 1 ppm, which can be used for the detection of triethylamine vapor content in indoor environment.

【技术实现步骤摘要】
以Al2O3/α-Fe2O3复合纳米纤维为敏感材料三乙胺传感器及其制备方法
本专利技术属于气体传感器
，具体涉及一种以Al2O3/α-Fe2O3复合纳米纤维为敏感电极材料的三乙胺(triethylamine)传感器及其制备方法，其主要用于大气环境的检测。
技术介绍
三乙胺(TEA)，主要用作有机溶剂、催化剂、固化剂和聚合抑制剂，是一种非常重要的化工有机原料。而与此同时，它也是一种易燃、易爆和有毒的易挥发的有机化合物之一。如果我们的皮肤接触到三乙胺，会引起化学烧伤。更重要的是，它对我们的呼吸道有很强的刺激性，会引起严重的肺水肿。目前，检测三乙胺主要依赖大型的分析仪器，例如气质联谱仪和红外光谱仪等，然而其体积大、价格高，无法实时检测等缺点限制了它们在实际生活中的应用。半导体金属氧化物气体传感器具有价格低、制作工艺简单、灵敏度高、可用于实时检测等优点，可以应用与构建便携式的检测仪。因此成为了大家的的研究热点。事实上，围绕着提高三乙胺传感器灵敏度的研究一直在不断地深化。尤其是纳米科学技术的发展为改善传感器性能提供了很好的契机。α-Fe2O3因其具有较好的稳定性、价格低廉、制备简单等优势，其已经被应用于光催化、锂电池、颜料等诸多领域，除此之外，α-Fe2O3被认为是继SnO2和ZnO后应用最广的气敏材料。研究表明，可以用两种不同氧化物的复合来促进气敏特性的进一步改性，从而获得更好的气敏特性。本专利中将采用Al2O3与α-Fe2O3复合的方法，促进α-Fe2O3气敏特性的进一步改性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于静电纺丝技术制备的Al2O3/α-Fe2O3复合纳米纤维为敏感电极材料的三乙胺传感器、制备方法及其在室内环境中检测三乙胺蒸汽方面的应用。本专利技术通过对半导体材料进行复合，增加传感器的灵敏度，提高传感器的响应速度，促进此种传感器在气体检测领域的实用化。本专利技术所得到的传感器除了具有较高的灵敏度外，并具有迅速的响应时间，良好的重复性和响应恢复特性。该传感器的检测下限为1ppm，可用于室内环境中三乙胺蒸汽含量的检测。如图1所示，本专利技术所述Al2O3/α-Fe2O3复合纳米纤维为敏感电极材料的三乙胺传感器为平板式结构，由上表面带有两个分立的L形金电极1、下表面带有氧化钌加热层5的Al2O3绝缘陶瓷板4和半导体敏感材料薄膜3组成，其中氧化钌加热层5下表面带有两个分立的矩形金电极6；半导体敏感材料薄膜3制备在两个分立的L形金电极1和Al2O3绝缘陶瓷板4的上表面；每个L形金电极1和矩形金电极6都各自焊接有一条铂线2和2’，通过测量与2个L形金电极1分别焊接的两条铂线2间的电阻可以获得两个L形金电极间的电阻，通过与两个矩形金电极6分别焊接的两条铂线2’可以对氧化钌加热层5施加电流，给Al2O3绝缘陶瓷板4进行加热从而可以控制气体传感器的工作温度。根据灵敏度S的定义S＝Ra/Rg，其中Ra代表传感器在空气中的电阻值，Rg代表传感器在待测气体中的电阻值，电阻值的大小是通过Fluke仪表测量，通过测量Ra和Rg，经计算可得到传感器的灵敏度；其特征在于：半导体敏感材料为Al2O3/α-Fe2O3复合的氧化物半导体纳米纤维，其铝源(异丙醇铝)与铁源(乙酰丙酮铁)的质量比0.125～0.375：1；该敏感材料是采用静电纺丝技术制备，经煅烧后热压在L形金电极1和Al2O3绝缘陶瓷板4的上表面；Al2O3的加入，改变了α-Fe2O3半导体纳米纤维的形貌特征，使得α-Fe2O3纳米纤维由中空的纳米管最终变为表面较光滑的实心纳米纤维，抑制了α-Fe2O3晶粒的生长，增加了敏感材料的比表面积，从而提高传感器的灵敏度。同时，Al2O3/α-Fe2O3复合纳米纤维疏松多孔的结构使得我们制作的三乙胺传感器有很快的响应时间。此外，平板式传感器和氧化物半导体的制作工艺简单，利于工业上批量生产。α-Fe2O3纳米纤维以及Al2O3/α-Fe2O3复合纳米纤维的直径大约为100nm。本专利技术所述的一种以Al2O3/α-Fe2O3复合纳米纤维为敏感电极材料的三乙胺传感器的制备方法，其步骤如下：1)将0.4g乙酰丙酮铁、0.5g聚乙烯吡咯烷酮溶解在5～10mLN-N二甲基甲酰胺中，搅拌2～5小时得到溶液A；将0.05～0.15g的异丙醇铝、0.5g聚丙烯腈溶解在5～10mLN-N二甲基甲酰胺中，60～80℃水浴下加热搅拌2～5小时得到溶液B，之后，将溶液A倒入溶液B中，得到混合液后继续搅拌0.5～3小时；2)把上述溶液装入静电纺丝装置中，收集板和喷丝口的距离为10～20cm，喷丝口和收集板间施加的电压为5～15kV，收集板接地，纺丝2～5小时后在收集板上得到纳米电纺丝产物；3)将上述纳米电纺丝产物在450～550℃下煅烧1～3小时得到Al2O3/α-Fe2O3复合的纳米纤维敏感材料，将该敏感材料放置在市售的上表面带有2个分立的L形金电极1、下表面带有氧化钌加热层5及在氧化钌加热层5表面带有2个分立的矩形金电极6的绝缘Al2O3陶瓷板4的上表面，并使敏感材料完全覆盖L形金电极1，然后在80～120℃下热压2～6分钟，形成10～30μm厚的半导体氧化物敏感材料薄膜3；陶瓷板的长为1.3～1.7mm、宽为0.8～1.3mm、厚为0.08～0.12mm；4)将步骤3)得到的绝缘Al2O3陶瓷板4在350～450℃煅烧1～3小时，最后将上述器件进行焊接和封装，从而得到本专利技术所述的传感器。本专利技术的优点：(1)传感器利用常见的N型半导体材料α-Fe2O3，它具有良好的化学稳定性；(2)利用Al2O3/α-Fe2O3复合纳米纤维作为敏感材料可以使传感器的灵敏度提高，促进其实用化；(3)Al2O3/α-Fe2O3复合纳米纤维在测试温度175～300℃，对100ppm三乙胺的响应时间为1～2s，国内外未曾报道。(4)Al2O3/α-Fe2O3复合纳米纤维是利用静电纺丝技术制作，制作方法简单，造价低廉利于批量化的工业生产。附图说明图1：Al2O3/α-Fe2O3复合纳米纤维半导体三乙胺传感器的结构示意图；图1(a)为传感器上表面结构示意图；图1(b)传感器下表面结构示意图；图2：对比例、实施例1、实施例2和实施例3的XRD图；图3：对比例、实施例1、实施例2和实施例3的SEM图；图4：对比例、实施例1、实施例2和实施例3中传感器在不同工作温度对100ppm三乙胺的灵敏度对比曲线；图5：测试的温度范围(175～300℃)内，实施例2对100ppm三乙胺的响应恢复时间折线图。如图1所示，各部件名称为：L形金电极1；铂线2和2’；半导体敏感材料3；Al2O3绝缘陶瓷板4；氧化钌加热层5；矩形金电极6。图2为对比例和实施例1、2、3四个样品的XRD图。从图中可以看出，四个样品的XRD峰都可以和纯α-Fe2O3的特征峰相吻合，并没有发现氧化铝的相关峰的存在，证明氧化铝在复合敏感材料中以无定形的形式存在着。除此之外，随着Al2O3的增加，XRD的衍射峰变得越来越宽，这也意味着随着Al2O3的增加，组成纳米纤维的晶粒越来越小。图3(a)-(d)分别对应于对比例和实施例1、2、3四个样品的SEM图。从图3我们可以知道，四组样品的纳米纤维的直径都在100纳米左右。纤维的形貌从纳米本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种以Al2O3/α‑Fe2O3复合纳米纤维为敏感电极材料的三乙胺传感器，其为平板式结构，由上表面带有两个分立的L形金电极(1)、下表面带有氧化钌加热层(5)的Al2O3绝缘陶瓷板(4)和半导体敏感材料薄膜(3)组成，其中氧化钌加热层(5)下表面带有两个分立的矩形金电极(6)；半导体敏感材料薄膜(3)制备在两个分立的L形金电极(1)和Al2O3绝缘陶瓷板(4)的上表面；其特征在于：半导体敏感材料为Al2O3/α‑Fe2O3复合纳米纤维，其铝源与铁源的质量比0.125～0.375：1。

【技术特征摘要】
1.一种以Al2O3/α-Fe2O3复合纳米纤维为敏感电极材料的三乙胺传感器，其为平板式结构，由上表面带有两个分立的L形金电极(1)、下表面带有氧化钌加热层(5)的Al2O3绝缘陶瓷板(4)和半导体敏感材料薄膜(3)组成，其中氧化钌加热层(5)下表面带有两个分立的矩形金电极(6)；半导体敏感材料薄膜(3)制备在两个分立的L形金电极(1)和Al2O3绝缘陶瓷板(4)的上表面；其特征在于：半导体敏感材料为Al2O3/α-Fe2O3复合纳米纤维，其铝源与铁源的质量比0.125～0.375：1。2.权利要求1所述的一种以Al2O3/α-Fe2O3复合纳米纤维为敏感电极材料的三乙胺传感器的制备方法，其步骤如下：1)将0.4g乙酰丙酮铁、0.5g聚乙烯吡咯烷酮溶解在5～10mLN-N二甲基甲酰胺中，搅拌2～5小时得到溶液A；将0.05～0.15g的异丙醇铝、0.5g聚丙烯腈溶解在5～10mLN-N二甲基甲酰胺中，60～80℃水浴下加热搅拌2～5小时得到溶液B，之后将溶液A倒入溶液B中，得到混合液后继续搅拌0.5～3小时；2)...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢革宇，郭兰兰，孙彦峰，刘方猛，马健，梁喜双，高原，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22