一种基于碳纳米管和金属纳米粒子的气体传感器及其构建方法技术

本发明专利技术公开了一种基于碳纳米管和金属纳米粒子的气体传感器及其构建方法。具体步骤如下：1)将HAuCl4溶液、四辛基溴化铵的甲苯溶液、癸硫醇溶液和硼氢化钠溶液混合搅拌得到癸硫醇覆盖的金纳米粒子溶液，再加入1,9‑壬二硫醇搅拌，制备得到1,9‑壬二硫醇覆盖的金纳米溶胶；2)将碳纳米管己烷分散液和1,9‑壬二硫醇覆盖的金纳米溶胶混合搅拌，形成复合体溶液；3)将微电极浸入复合体溶液中，加入交联剂的二氯甲烷溶液，室温搅拌，最后再洗涤、吹干微电极，将微电极和多通道电气万用表连接，并设置在气室内，实现气体传感器的构建。本发明专利技术的气体传感器能用于定性和定量检测大气中常见的醇类、醛类、苯类、烷类等气体，灵敏度高。

A gas sensor based on carbon nanotubes and metal nanoparticles and its construction method

The invention discloses a gas sensor based on carbon nanotubes and metal nanoparticles and a construction method thereof. Specific steps are as follows: 1) HAuCl4 solution, tetraoctylammonium bromide solution, toluene solution, decanol solution and sodium borohydride solution are mixed and stirred to obtain the solution of gold nanoparticles covered with decanol, and then stirred with 1,9-nonyldithiol to prepare 1,9-nonyldithiol-covered gold nanosol; 2) carbon nanotube hexane dispersion solution; Mixing and stirring with 1,9_nonyldithiol-covered gold nanosol to form complex solution; 3) immersing microelectrode in complex solution, adding dichloromethane solution of cross-linking agent, stirring at room temperature, washing and drying microelectrode, connecting microelectrode and multi-channel electric multimeter, and setting it in air chamber to realize gas Sensor construction. The gas sensor of the invention can be used for qualitative and quantitative detection of common alcohols, aldehydes, benzene, alkanes and other gases in the atmosphere, and has high sensitivity.

【技术实现步骤摘要】
一种基于碳纳米管和金属纳米粒子的气体传感器及其构建方法
本专利技术涉及气体传感器
，具体地说，涉及一种基于碳纳米管和金属纳米粒子的气体传感器及其构建方法。
技术介绍
单层覆盖剂或分子连接的金属纳米颗粒作为传感装置薄膜的组成之一已经成为构建多种高灵敏电化学传感器的重要方法，并已得到广泛应用。这类传感器不但性能需稳定，并且可供被测物组装或吸附的表面积也需显著，另外，在电化学气感检测应用领域中，还应具备独特的电性能。作为电子材料，碳纳米管具有半导体特性，其独特的物理和化学性质使其成为调节催化剂、化学与生物传感器等表面性能的重要材料之一。已有报道，碳纳米管与金属纳米粒子结合后电子导电性能可控性可得到进一步提升。当二者的复合结构接触到氧化性气体时，碳纳米管与金属纳米粒子间的相互作用可以导致电子被半导体的空穴所吸收，从而增加了导电性；而当接触到还原性气体时，二者就会形成电子的给体，从而降低电荷载流子的浓度并降低电导率。因此，很多研究围绕碳纳米管结合金属纳米粒子构建传感器而展开。但是被测分子在二者表面的相互作用以及传感机制还有待进一步揭晓。
技术实现思路
针对以上技术问题，本专利技术目的在于提供一种基于碳纳米管和金属纳米粒子的气体传感器及其构建方法。本专利技术的气体传感器可以用于检测大气中常见的甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、甲苯、己烷等挥发性气体成分，灵敏度高。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为如下。本专利技术提供一种基于碳纳米管和金属纳米粒子的气体传感器的构建方法，具体步骤如下：1)制备1,9‐壬二硫醇覆盖的金纳米溶胶将浓度为14～17mmol/L的HAuCl4溶液和浓度为15～17mmol/L的四辛基溴化铵的甲苯溶液混合，再加入浓度在0.1‐3mmol/L之间的癸硫醇溶液和浓度在0.20～0.30mol/L的硼氢化钠溶液，搅拌8‐12h得到癸硫醇覆盖的金纳米粒子溶液，此后加入浓度为16‐25mmol/L的1,9‐壬二硫醇溶液搅拌30～45分钟，利用1,9‐壬二硫醇置换金纳米粒子表面的癸硫醇，使得每个金纳米粒子表面覆盖足够的1,9‐壬二硫醇分子数，制备得到1,9‐壬二硫醇覆盖的金纳米溶胶；2)制备复合体溶液将质量体积浓度在0.20mg/mL～0.50mg/mL的碳纳米管己烷分散液和上述1,9‐壬二硫醇覆盖的金纳米溶胶混合，使得体系中纳米金浓度控制在10～20mmol/L，混合搅拌8～12小时，形成复合体溶液；3)构建气体传感器将微电极浸入上述复合体溶液中，加入0.008～0.012g/mL的交联剂的二氯甲烷溶液，室温搅拌2‐5h，最后洗涤、吹干微电极，将微电极和多通道电气万用表连接，并设置在气室内，实现气体传感器的构建。本专利技术中，步骤1)中，HAuCl4溶液、四辛基溴化铵的甲苯溶液、癸硫醇溶液、硼氢化钠溶液和1,9‐壬二硫醇的体积比为10:10:(1.5～2.5):(4‐6):(1‐3)。本专利技术中，步骤1)中，癸硫醇覆盖的金纳米粒子溶液中的金纳米离子的尺寸在1‐10nm之间。本专利技术中，步骤2)中，碳纳米管为多壁碳纳米管。本专利技术中，步骤3)中，微电极为交叉式铂金微电极，其铂条数为40～200对，电极长度约50～80微米，宽度约5～8微米，底板为厚度约5～8微米的玻璃基。。本专利技术中，步骤3)中，交联剂为聚苯乙烯或聚苯丙烯。本专利技术中，步骤3)中，复合体溶液和交联剂的二氯甲烷溶液的体积比为30:1～60:1。本专利技术中，步骤3)中，气室为特氟龙材料制成的气室，其呈立方体状。本专利技术还提供一种上述的构建方法得到的基于碳纳米管及金属纳米粒子的气体传感器。和现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：随着工业化进程的日益加快，世界各地的环境污染日趋严重。挥发性有机物(VOC)是大气中不容忽视的环境污染物，近年来，人们对大气中苯系物、有机酮、醇、醚等VOC成分的监测越来越重视，而多组分的VOC分析方法的发展得到人们越来越多的关注。该气体传感器构建方法科学而又灵敏，实践证明可广泛用于大气中多种挥发性气体成分的定量和定性检测，且随着技术进一步的改善，有望不仅用于空气中各种气体污染物的检测，还可以用于危险气体的泄漏报警等方面。。附图说明图1为实施例1-3中的碳纳米管及金属纳米粒子组装在微电极构建电化学传感器装置示意图。具体实施方式下面结合具体的实施例对本专利技术的技术方案做进一步的描述，但本专利技术并不限于下述实施例。本专利技术各实施例中所用的各种原料，如无特殊说明，均为市售。图1为实施例1-3中的碳纳米管及金属纳米粒子组装在微电极构建电化学传感器装置示意图。实施例1利用碳纳米管及金属纳米粒子构建甲醇传感器的过程及步骤如下：1)硫醇覆盖的金纳米粒子1.5×10‐2mol/L的HAuCl4溶液50ml，加入1.6×10‐2mol/L毫摩尔的四辛基溴化铵/甲苯50ml形成有机相，再加入1.5×10‐4mol/L的癸硫醇(CH3(CH2)9SH)10ml和25mL0.25mol/L的硼氢化钠溶液，通过搅拌过夜得到癸硫醇(CH3(CH2)9SH)覆盖的金纳米粒子，尺寸为～2纳米，此后再加入2.0×10‐2mol/L的1,9‐壬二硫醇(HS(CH2)9SH)10ml，通过置换原理，利用1,9‐壬二硫醇(HS(CH2)9SH)置换粒子表面的癸硫醇(CH3(CH2)9SH)。2)碳纳米管上组装纳米粒子将购买所得多壁碳纳米管(直径～23纳米)分散在己烷中，使其质量浓度为0.30毫克/毫升，并混合上述纳米溶胶，纳米金浓度约为1.5×10‐5mol/L，混合搅拌10小时，纳米粒子会通过结合力强的巯基连接到碳纳米管上，形成复合体溶液。3)复合体组装到微电极表面将购买的交叉式铂金微电极浸入上述复合体溶液中，并加入交联剂聚苯乙烯/二氯甲烷混合液(浓度为0.010克/毫升)，复合体溶液和混合液体积比为1:50，通过交联剂将复合体修饰到微电极基底上构建电化学传感器，时长3小时，之后用乙醇冲洗3次，氮气吹干备用。4)传感装置及信号收集将上述微电极放置在定制的特氟龙材料制成的气室中，尺寸为2厘米长的立方体。使用氮气流分别带入350ppm、700ppm、1400ppm、2100ppm、2800ppm(ppm即毫克/升)的甲醇进特氟龙材料制成的气室。使用计算机接连的多通道电气万用表测量特氟龙室中微电极检测到不同浓度的甲醇后的电阻值变化。5)传感性能评估数据进行分析，结果表明：甲醇蒸汽分子在利用碳纳米管‐金纳米粒子构建的电化学上传感器上收集的电阻信号随着浓度增加而上升，呈现正响应曲线，线性的斜率达1.28x10‐5，并结合多组平行实验，确定了本方法的重现性较佳，验证了本方法设计的传感性能较稳定。实施例2利用碳纳米管及金属纳米粒子构建1-丙醇传感器的过程及步骤如下：1)硫醇覆盖的金纳米粒子1.7×10‐2mol/L的HAuCl4溶液50ml，加入1.6×10‐2mol/L的四辛基溴化铵/甲苯形成有机相50ml，再加入1.7×10‐4mol/L的癸硫醇(CH3(CH2)9SH10ml和25mL0.28mol/L的硼氢化钠溶液，通过搅拌过夜得到癸硫醇(CH3(CH2)9SH)覆盖的金纳米粒子，尺寸为～3纳米，此后再加入2.4×10‐2mol/L的1,9‐壬二硫醇(HS(CH2)9SH)10ml，通过置换本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于碳纳米管和金属纳米粒子的气体传感器的构建方法，其特征在于，具体步骤如下：1)制备1,9‑壬二硫醇覆盖的金纳米溶胶将浓度为14～17mmol/L的HAuCl4溶液和浓度为15～17mmol/L的四辛基溴化铵的甲苯溶液混合，再加入浓度在0.1‑3mmol/L之间的癸硫醇溶液和浓度在0.20～0.30mol/L的硼氢化钠溶液，搅拌8‑12h得到癸硫醇覆盖的金纳米粒子溶液，此后加入浓度为16‑25mmol/L的1,9‑壬二硫醇溶液搅拌30～45分钟，利用1,9‑壬二硫醇置换金纳米粒子表面的癸硫醇，使得金纳米粒子表面覆盖1,9‑壬二硫醇，制备得到1,9‑壬二硫醇覆盖的金纳米溶胶；2)制备复合体溶液将质量体积浓度在0.20mg/mL～0.50mg/mL的碳纳米管己烷分散液和上述1,9‑壬二硫醇覆盖的金纳米溶胶混合，使得体系中纳米金浓度控制在10～20mmol/L，混合搅拌8～12小时，形成复合体溶液；3)构建气体传感器将微电极浸入上述复合体溶液中，加入0.008～0.012g/mL的交联剂的二氯甲烷溶液，室温搅拌2‑5h，最后洗涤、吹干微电极，将微电极和多通道电气万用表连接，并设置在气室内，实现气体传感器的构建。...

【技术特征摘要】
1.一种基于碳纳米管和金属纳米粒子的气体传感器的构建方法，其特征在于，具体步骤如下：1)制备1,9-壬二硫醇覆盖的金纳米溶胶将浓度为14～17mmol/L的HAuCl4溶液和浓度为15～17mmol/L的四辛基溴化铵的甲苯溶液混合，再加入浓度在0.1-3mmol/L之间的癸硫醇溶液和浓度在0.20～0.30mol/L的硼氢化钠溶液，搅拌8-12h得到癸硫醇覆盖的金纳米粒子溶液，此后加入浓度为16-25mmol/L的1,9-壬二硫醇溶液搅拌30～45分钟，利用1,9-壬二硫醇置换金纳米粒子表面的癸硫醇，使得金纳米粒子表面覆盖1,9-壬二硫醇，制备得到1,9-壬二硫醇覆盖的金纳米溶胶；2)制备复合体溶液将质量体积浓度在0.20mg/mL～0.50mg/mL的碳纳米管己烷分散液和上述1,9-壬二硫醇覆盖的金纳米溶胶混合，使得体系中纳米金浓度控制在10～20mmol/L，混合搅拌8～12小时，形成复合体溶液；3)构建气体传感器将微电极浸入上述复合体溶液中，加入0.008～0.012g/mL的交联剂的二氯甲烷溶液，室温搅拌2-5h，最后洗涤、吹干微电极，将微电极和多通道电气万用表连接，并设置在气室内，实现气体...

【专利技术属性】
技术研发人员：成汉文，孙瑶馨，陈家辉，路畅，陈明洋，罗谨，
申请(专利权)人：上海应用技术大学，
类型：发明
国别省市：上海,31