基于Ga掺杂三维反蛋白石结构In2O3纳米敏感材料的甲醛气体传感器及其制备方法技术

一种基于Ga掺杂三维反蛋白石结构In2O3纳米敏感材料的甲醛气体传感器及其制备方法，属于气体传感器技术领域。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Ga掺杂三维反蛋白石结构In2O3纳米敏感材料、穿过Al2O3陶瓷管衬底内部的镍铬合金加热线圈组成。该传感器对100ppm甲醛的灵敏度高达48.8，检测下限可达到0.05ppm，具有良好的选择性和长期稳定性。因此，本发明专利技术所述传感器在室内污染物甲醛气体检测领域有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于Ga掺杂三维反蛋白石结构In2O3纳米敏感材料的甲醛气体传感器及其制备方法
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Ga掺杂三维反蛋白石结构In2O3纳米敏感材料的高灵敏甲醛气体传感器及其制备方法。
技术介绍
近年来，随着人们生活水平逐渐提高，人们对生活品质的要求也越来越高。现在人们装修更多的追求是家装品味与设计，但是，在新房装修过程中少不了用到胶合板、胶水、内墙涂料、墙纸、石灰、粘合剂、泡沫塑料、油漆等装修材料，这些装修材料中都含有甲醛，而且，质量越差所含甲醛等有害物质就越多。除此之外，业主购买的板材家具、床垫、窗帘都含有甲醛，这些物品所含的甲醛积少成多，装修后室内就容易出现甲醛超标现象，中国人民共和国国家标准《居室空气中甲醛的卫生标准》规定：居室空气中甲醛的最高容许浓度为0.08mg/cm3。统计结果分析表明，人的一生中至少有70-90％的时间是在室内度过的，因此室内环境的质量与人的身体健康有着密不可分的联系。而且，现代建筑物具有较好的密闭性，由此带来室内通风率的不足，从而导致从各种装修材料中以及部分生活物品中释放出的甲醛污染物无法得到充分的排放。大量甲醛污染物长期滞留在室内，使得室内污染物浓度很高，严重时可能会超过室内的几十倍。综上所述，我们需要一款超高灵敏度的气体传感器对室内装修污染物甲醛进行实时监测，从而为室内甲醛治理提供更加可靠的数据指标。因此，作为气体传感器一个重要分支的半导体式气体传感器，由于其具有价格低、全固态、选择性可调、体积小、可集成化等优点而逐渐进入了人们的视野中。虽然在半导体氧化物气体传感器的研究上已经获得了很大的进步，但是为了满足其在低浓度室内装修污染物甲醛检测领域的使用要求，仍需进一步提高传感器的灵敏度、选择性和稳定性，以及降低气体传感器的检测下限。半导体氧化物气体传感器的气敏特性主要由气体敏感材料的敏感体利用效率、识别功能和转换功能这三方面决定。因此，我们首先考虑的是结构增感(改善气体敏感材料的敏感体利用效率)，在半导体氧化物纳米敏感材料微结构调控方面敏，一维、二维、以及具有特殊形貌的三维分等级结构半导体氧化物纳米敏感材料都被作为气体敏感材料广泛用于提高半导体氧化物气体传感器的气敏特性。其中，三维反蛋白石结构微球由于具有高度有序的多孔结构而受到广泛的关注，相比于其他结构的半导体氧化物纳米敏感材料，其具有较大的比表面积和连通性较好的三维多孔孔道结构，因而可以提供较多的活性位点，有利于半导体材料与气体分子充分接触，以及气体分子的扩散。基于这种特殊的三维反蛋白石结构，我们还发现通过掺杂Ga离子，可实现气敏特性的改善及提升。掺杂之后的气体敏感材料表面氧缺陷增加、反应活性位点增加；且掺杂将使组成三维反蛋白石结构微球的纳米颗粒尺寸减小，提高了材料的透气性，进一步提高了材料的敏感体利用率。相较于三维反蛋白石结构In2O3气体传感器，Ga掺杂三维反蛋白石结构In2O3气体传感器对甲醛的灵敏度更高，检测下限低至50ppb。因此，开展具有三维反蛋白石结构的半导体氧化物纳米敏感材料的制备和掺杂改性，并将基于这种气体敏感材料的气体传感器用于室内装修污染物甲醛的检测具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种基于Ga掺杂三维反蛋白石结构In2O3纳米敏感材料的甲醛气体传感器，并同时提供一种高效、简便的制备Ga掺杂三维反蛋白石结构In2O3纳米敏感材料的方法。本专利技术首先以聚苯乙烯磺酸钠、碳酸氢钠和苯乙烯作为原料，水作为溶剂，过硫酸钾作为引发剂，利用无皂乳液聚合法制备聚苯乙烯微球粉末；然后，将制得的聚苯乙烯微球粉末分散在浓硫酸溶液中进行磺化处理，使得聚苯乙烯微球表面含有硫氰根(SO3-H+)官能团，从而完成模板的制备；再以磺化后的聚苯乙烯微球为模板，以水合硝酸铟和水合硝酸镓为原料，以水作为溶剂，利用超声喷雾热分解法成功制备了Ga掺杂三维反蛋白石结构In2O3前驱体，然后在空气中煅烧得到Ga掺杂三维反蛋白石结构In2O3纳米敏感材料。本专利技术所述的一种基于Ga掺杂三维反蛋白石结构In2O3纳米敏感材料的甲醛气体传感器，器件为旁热式结构，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Ga掺杂三维反蛋白石结构In2O3纳米敏感材料、穿过Al2O3陶瓷管衬底内部的镍铬合金加热线圈组成；传感器在工作时，镍铬合金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两条金电极间的直流电阻阻值实现测量甲醛浓度的功能，测试结果表明，该传感器对100ppm甲醛的灵敏度高达48.8，检测下限可达到50ppb，具有良好的选择性和长期稳定性。因此，本专利技术所述传感器在室内污染物甲醛检测领域具有广阔的前景。本专利技术中，Ga掺杂三维反蛋白石结构In2O3纳米敏感材料由如下步骤制备得到：(1)首先将0.15～0.50g的聚苯乙烯磺酸钠、0.05～0.35g的碳酸氢钠、10～50mL的苯乙烯依次加入到150～500mL去离子水中，在氮气氛围下(氮气流速10～50sccm)水浴加热(水浴加热温度50～80℃)并搅拌；搅拌0.5～1.5h后，加入0.05～0.35g的过硫酸钾，继续在氮气氛围下(氮气流速10～50sccm)水浴加热(水浴加热温度50～80℃)并搅拌15～20h；(2)将步骤(1)得到的产物用水和乙醇交替进行离心洗涤，将得到的产物进行干燥，得到聚苯乙烯微球粉末；(3)将5～15g步骤(2)得到的聚苯乙烯微球粉末加入到10～50mL、质量分数95～98％的浓硫酸溶液中，水浴加热(水浴加热温度30～60℃)搅拌4～6h后，将得到的产物用去离子水和乙醇交替清洗5～7次，然后在70～90℃下烘干，得到磺化聚苯乙烯微球(微球直径：～100nm)；(4)将步骤(3)得到的0.05～0.18g的磺化聚苯乙烯微球粉末、0.05～0.30g的In(NO3)3·4.5H2O、0.01～0.20g的Ga(NO3)3·9H2O依次加入到8～20mL去离子水中，搅拌40～80min直至其全部溶解；(5)将步骤(4)得到的溶液在500～800℃下超声喷雾热分解2～4h，在超声喷雾热分解反应过程中始终以氮气作为载气(氮气流速400～700sccm)，收集粉末产物；将得到的产物用去离子水和乙醇交替清洗5～7次，然后在70～90℃下烘干，再在400～600℃下煅烧2～5h，从而得到本专利技术所述的Ga掺杂三维反蛋白石结构In2O3纳米敏感材料；本专利技术中所述的传感器采用旁热式结构，其制备步骤如下：(1)取Ga掺杂三维反蛋白石结构In2O3纳米敏感材料与异丙醇按质量比0.4mg:0.8～2.0mg均匀混合形成浆料；用毛刷蘸取适量浆料涂覆在市售外表面带有两条平行、环状且彼此分立金电极的Al2O3绝缘陶瓷管衬底外表面，使其完全覆盖陶瓷管外表面和金电极(陶瓷管衬底的内径为0.5～0.8mm，外径为1.0～1.5mm，长度为4～5mm；单个金电极的宽度为0.3～0.5mm，两个金电极间的间距为0.4～0.6mm，在金电极上引出铂丝导线，其长度为4～6mm)；(2)将涂覆好纳米敏感材料的陶瓷管在220～280℃下烧结2～5h，然后将镍铬合金加热线圈穿过陶瓷管内部，通以直流电来提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Ga掺杂三维反蛋白石结构In2O3纳米敏感材料的甲醛气体传感器，器件为旁热式结构，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穿过Al2O3陶瓷管衬底内部的镍铬合金加热线圈组成；其特征在于：纳米敏感材料为Ga掺杂三维反蛋白石结构In2O3纳米敏感材料，且其由如下步骤制备得到，(1)首先将0.15～0.50g的聚苯乙烯磺酸钠、0.05～0.35g的碳酸氢钠、10～50mL的苯乙烯依次加入到150～500mL去离子水中，在氮气氛围下水浴加热并搅拌；搅拌0.5～1.5h后，加入0.05～0.35g的过硫酸钾，继续在氮气氛围下水浴加热并搅拌15～20h；(2)将步骤(1)得到的产物用水和乙醇交替进行离心洗涤，将得到的产物进行干燥，得到聚苯乙烯微球粉末；(3)将5～15g步骤(2)得到的聚苯乙烯微球粉末加入到10～50mL、质量分数95～98％的浓硫酸溶液中，水浴加热搅拌4～6h后，将得到的产物用去离子水和乙醇交替清洗5～7次，然后在70～90℃下烘干，得到磺化聚苯乙烯微球；(4)将步骤(3)得到的0.05～0.18g的磺化聚苯乙烯微球粉末、0.05～0.30g的In(NO3)3·4.5H2O、0.01～0.20g的Ga(NO3)3·9H2O依次加入到8～20mL去离子水中，搅拌40～80min直至其全部溶解；(5)将步骤(4)得到的溶液在500～800℃下超声喷雾热分解2～4h，在超声喷雾热分解反应过程中始终以氮气作为载气，收集粉末产物；将得到的产物用去离子水和乙醇交替清洗5～7次，然后在70～90℃下烘干，再在400～600℃下煅烧2～5h，从而得到Ga掺杂三维反蛋白石结构In2O3纳米敏感材料。...

【技术特征摘要】
1.一种基于Ga掺杂三维反蛋白石结构In2O3纳米敏感材料的甲醛气体传感器，器件为旁热式结构，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穿过Al2O3陶瓷管衬底内部的镍铬合金加热线圈组成；其特征在于：纳米敏感材料为Ga掺杂三维反蛋白石结构In2O3纳米敏感材料，且其由如下步骤制备得到，(1)首先将0.15～0.50g的聚苯乙烯磺酸钠、0.05～0.35g的碳酸氢钠、10～50mL的苯乙烯依次加入到150～500mL去离子水中，在氮气氛围下水浴加热并搅拌；搅拌0.5～1.5h后，加入0.05～0.35g的过硫酸钾，继续在氮气氛围下水浴加热并搅拌15～20h；(2)将步骤(1)得到的产物用水和乙醇交替进行离心洗涤，将得到的产物进行干燥，得到聚苯乙烯微球粉末；(3)将5～15g步骤(2)得到的聚苯乙烯微球粉末加入到10～50mL、质量分数95～98％的浓硫酸溶液中，水浴加热搅拌4～6h后，将得到的产物用去离子水和乙醇交替清洗5～7次，然后在70～90℃下烘干，得到磺化聚苯乙烯微球；(4)将步骤(3)得到的0.05～0.18g的磺化聚苯乙烯微球粉末、0.05～0.30g的In(NO3)3·4.5H2O、0.01～0...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢革宇，王天双，孙鹏，刘方猛，刘凤敏，高原，闫旭，梁喜双，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22