一种基于MoO3纳米敏感材料的三乙胺传感器、制备方法及其应用技术

一种基于MoO3纳米敏感材料的三乙胺传感器、制备方法及其在复杂环境中检测三乙胺气体方面的应用，属于半导体氧化物气体传感器技术领域。传感器为旁热式结构，其由外表面带有两条平行、环状且彼此分立的金电极的Al2O3陶瓷管衬底、涂覆在陶瓷管外表面和金电极上的MoO3纳米敏感材料和置于陶瓷管内的镍镉加热线圈组成。本发明专利技术利用制备简单、尺寸均一的MoO3纳米片敏感材料对三乙胺快速响应恢复、优异的选择性，开发出了具有高性能的三乙胺气体传感器，在复杂的环境环境中具有良好的检测性能，有良好的应用前景。

Three ethylamine sensor based on MoO3 nano sensitive material, preparation method and application thereof

A triethylamine sensor based on MoO3 nano-sensitive material, a preparation method and its application in detecting triethylamine gas in complex environment belong to the technical field of semiconductor oxide gas sensor. The sensor is a parathermal structure consisting of Al2O3 ceramic tube substrate with two parallel, annular and separated gold electrodes on the outer surface, MoO3 nano-sensitive material coated on the outer surface of the ceramic tube and the Ni-Cd heating coil placed in the ceramic tube. The invention develops a high performance triethylamine gas sensor by using a simple and uniform MoO3 nanosheet sensitive material to recover the rapid response to triethylamine and has excellent selectivity. The sensor has good detection performance in complex environment and good application prospect.

【技术实现步骤摘要】
一种基于MoO3纳米敏感材料的三乙胺传感器、制备方法及其应用
本专利技术属于半导体氧化物气体传感器
，具体涉及一种基于MoO3纳米敏感材料的三乙胺传感器、制备方法及其在复杂环境中检测三乙胺气体方面的应用。
技术介绍
随着信息技术的发展，传感器作为获取信息的手段，处于信息技术发展的前沿，将受到广泛的关注和进一步的商业化生产。近年来，大气污染不断增加，工业、家庭安全事故频繁发生，以及在食品安全、医疗卫生、化工能源、军事、航天等行业的迫切需要。因此，发掘新型气体传感器进而对污染性气体进行检测具有重要意义。三乙胺(TEA)是一种挥发性有机物化合物(VOC)，被广泛的用作催化剂、防腐剂、有机溶剂和合成染料，也是工业上很重要的一种原料。但是它具有毒性和挥发性，易燃易爆炸，如果在工业生产过程中被泄漏出来，容易对环境和人类造成伤害；三乙胺也可以在死鱼和其他海洋生物中分泌出来。由于它的毒性和挥发性，人类吸入后会引起对食道和胃的强刺激性，可能引起肺水肿甚至死亡。因此，有必要制备选择性好的材料、灵敏度高的传感器，以在工业过程和鱼类加工行业和比较复杂的环境条件下迅捷快速的检测出微量三乙胺。在种类众多的气体传感器中，以半导体氧化物为敏感材料的电阻型气体传感器具有灵敏度高、检测下限低、选择性好、响应和恢复速度快、制作方法简单、成本较低等优点，是目前应用最广泛的气体传感器之一。我们所知的许多半导体金属氧化物，如ZnO、SnO2、WO3、Fe2O3和In2O3，都得到了广泛的研究，它们表现出极佳的灵敏度和响应速度。然而，在更复杂的环境条件下选择性较差的这一缺点可能会限制它们的应用。本专利技术所使用的敏感材料MoO3是一种典型的n型半导体，在与气体三乙胺接触后，电阻迅速下降；与其它气体接触后电阻变化不大，即把气体环境的变化转化成了可检测的、有区别的电信号。因此开发具有高性能、高选择性的MoO3基三乙胺传感器在环境监测等各个领域具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于MoO3纳米敏感材料的三乙胺传感器、制备方法及其在复杂环境中检测三乙胺气体方面的应用。本专利技术中所述的一种基于MoO3纳米敏感材料的三乙胺气体传感器，为旁热式结构，其由外表面带有两条平行、环状且彼此分立的金电极的Al2O3陶瓷管衬底、涂覆在陶瓷管外表面和金电极上的纳米敏感材料和置于陶瓷管内的镍镉加热线圈组成，其特征在于：纳米敏感材料为MoO3纳米敏感材料。传感器在工作时，给镍镉加热线圈通以直流电来提供传感器的工作温度，通过测量不同气氛中时两条金电极间的直流电阻阻值实现测量三乙胺浓度的目的。本专利技术所采用的市售的管式结构传感器，制作工艺简单，体积小，利于工业上批量生产，因此具有重要的应用价值。其中，MoO3纳米敏感材料由如下步骤制备得到：(1)首先将0.08g～0.09g(NH4)6Mo7O24·4H2O溶解在20～40mL去离子水中，搅拌15～30min后，再将3～5mLPEG-400(聚乙二醇)和3～5mL、质量分数65％的HNO3逐滴滴入上述溶液中，继续搅拌15～30min；(2)将上述溶液装入到水热釜中，随后放入烘箱中，在170～190℃下反应20～25h；(3)反应结束后，将得到的产物用水和乙醇交替的进行离心洗涤，然后干燥，干燥后在450～550℃下进行煅烧1.5～3h，从而得到MoO3纳米敏感材料。本专利技术中所涉及的传感器采用旁热式结构，具体制备方法如下：(1)取MoO3纳米敏感材料，与乙醇按质量比0.25～0.5：1的比例均匀混合形成浆料，用细毛刷蘸取浆料涂覆在表面上带有两条平行、环状且彼此分立金电极的Al2O3陶瓷管外表面，使其完全覆盖金电极；陶瓷管外表面的纳米敏感材料的厚度为15～30μm；Al2O3陶瓷管的内径为0.6～0.8mm，外径为1.0～1.5mm，长度为4～5mm；单个金电极的宽度为0.4～0.5mm，两条金电极的间距为0.5～0.6mm；金电极上引出的铂丝导线，其长度为4～6mm；(2)将涂覆好的陶瓷管在350～450℃下烧结1.5～3h，然后将电阻值为30～40Ω的镍镉加热线圈(匝数为50～60匝)穿过Al2O3陶瓷管内部，通以直流电来为传感器提供合适的工作温度，最后通过铂丝导线将陶瓷管焊接在旁热式六角管座上；(3)最后将步骤(2)得到的器件在200～400℃空气环境中老化5～7天，从而得到基于MoO3纳米敏感材料的三乙胺传感器。工作原理：当基于MoO3纳米敏感材料的三乙胺传感器置于空气中时，空气中的氧气分子被吸附在传感器表面上并且被来自MoO3纳米敏感材料的导带电子电离以形成吸附的氧离子以O2-，O-，或O2-的方式存在。由于导带中自由电子的浓度在空气中相对较低，所以MoO3传感器的测量电阻将增加。当传感器在一定合适温度下接触三乙胺气体时，氧物质和目标气体之间的发生反应，导致捕获在离子化氧物质中的电子释放回MoO3纳米敏感材料导带中。耗尽层势垒减小，传感器的电导增加，从而测量电阻降低。在这里，我们定义传感器的灵敏度S：S＝Ra/Rg，其中Ra为传感器在空气中的电阻，Rg为传感器接触三乙胺后的电阻。本专利技术优点：1.利用简单的水热法制备了纳米级别的MoO3纳米敏感材料，具备均一的尺寸分布，合成方法简单，成本低廉，为开发高性能三乙胺传感器提供了一种有效的敏感材料。2.本专利技术使用的MoO3敏感材料对三乙胺灵敏度高，开发的传感器稳定性好，可靠性强。3.本专利技术制作的基于MoO3纳米敏感材料的三乙胺传感器制作工艺简单，制备方法步骤简便，成本低廉，体积小，适合工业上批量生产。附图说明图1：本专利技术所述的基于MoO3纳米敏感材料的三乙胺传感器的结构示意图(1)和剖视图(2)。图2：本专利技术所制备的纳米敏感材料的SEM图。(图2a-图2c为本专利技术所制备MoO3材料的前驱体MoO2的高低倍SEM图；图2d、2e为本专利技术所制备的MoO3敏感材料的低倍SEM图；图2f为MoO3敏感材料的高倍SEM图)。图3：本专利技术所制备材料的MoO3纳米敏感材料的TEM图，HRTEM图以及SAED图(图3a为本专利技术所制备MoO3材料的前驱体MoO2单个球的TEM图；图3b为本专利技术所制备MoO3材料的TEM图；图3c为MoO3材料的HRTEM图，其插图为选区SAED图；图3d-图3f为所制备MoO3材料的元素映射图)。图4：275℃的工作温度下，本专利技术的基于MoO3纳米敏感材料的三乙胺传感器在5～1000ppm三乙胺气氛中灵敏度与气体浓度之间的函数关系(其插图为5～100ppm浓度下的函数关系图)。图5：275℃的工作温度下，本专利技术的基于MoO3纳米敏感材料的三乙胺传感器对8种气体在100ppm浓度下的响应值对比图。如图1所示，各部件名称为：Al2O3绝缘陶瓷管1，铂线2，环形金电极3，镍镉合金线圈4，MoO3纳米敏感材料5；如图2所示，前驱体MoO2和本专利技术所制备的MoO3材料尺寸比较均一，每个MoO2纳米球的直径为80～90nm，单个MoO3纳米片的长度为2～3μm。图2(c)和(f)分别给出了一个单独的MoO2纳米球和单个MoO3纳米片。同时我们也可以观察到MoO2纳米球是由一些纳米颗粒组成的，而MoO3敏感材料是由众多纳米片堆积而成的。如图3所示，图3(a本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于MoO3纳米敏感材料的三乙胺传感器，由外表面带有两条平行、环状且彼此分立的金电极的Al2O3陶瓷管衬底、涂覆在Al2O3陶瓷管外表面和金电极上的纳米敏感材料、置于Al2O3陶瓷管内的镍镉加热线圈组成，在金电极上引出的铂丝导线；其特征在于：纳米敏感材料为MoO3纳米敏感材料，且由如下步骤制备得到，(1)首先将0.08g～0.09g(NH4)6Mo7O24·4H2O溶解在20～40mL去离子水中，搅拌15～30min后，再将3～5mL PEG‑400(聚乙二醇)和3～5mL、质量分数65％的HNO3逐滴滴入上述溶液中，继续搅拌15～30min；(2)将上述溶液装入到水热釜中，随后放入烘箱中，在170～190℃下反应20～25h；(3)反应结束后，将得到的产物用水和乙醇交替的进行离心洗涤，然后干燥，干燥后在450～550℃下进行煅烧1.5～3h，从而得到MoO3纳米敏感材料。

【技术特征摘要】
1.一种基于MoO3纳米敏感材料的三乙胺传感器，由外表面带有两条平行、环状且彼此分立的金电极的Al2O3陶瓷管衬底、涂覆在Al2O3陶瓷管外表面和金电极上的纳米敏感材料、置于Al2O3陶瓷管内的镍镉加热线圈组成，在金电极上引出的铂丝导线；其特征在于：纳米敏感材料为MoO3纳米敏感材料，且由如下步骤制备得到，(1)首先将0.08g～0.09g(NH4)6Mo7O24·4H2O溶解在20～40mL去离子水中，搅拌15～30min后，再将3～5mLPEG-400(聚乙二醇)和3～5mL、质量分数65％的HNO3逐滴滴入上述溶液中，继续搅拌15～30min；(2)将上述溶液装入到水热釜中，随后放入烘箱中，在170～190℃下反应20～25h；(3)反应结束后，将得到的产物用水和乙醇交替的进行离心洗涤，然后干燥，干燥后在450～550℃下进行煅烧1.5～3h，从而得到MoO3纳米敏感材料。2.如权利要求1所述的一种基于MoO3纳米敏感材料的三乙胺传感器，其特征在于：MoO3纳米敏感材料的厚度为15～30μm。3.如权利要求1所述的一种基于MoO3纳米敏感材...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜文豪，揣晓红，卢革宇，孙鹏，刘方猛，闫旭，刘凤敏，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