纳米复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种纳米复合材料，包括交联结合的金属氧化物纳米颗粒和碳纳米管，所述纳米复合材料具有如下化学结构单元：M@(NH‑R‑SiO3)nCm或M@(SH‑R‑SiO3)nCm，其中，@表示交联结合，M为金属氧化物纳米颗粒，Cm为碳纳米管，R为烃基或烃基衍生物，n

【技术实现步骤摘要】
纳米复合材料及其制备方法和应用
本专利技术属于纳米复合材料
，尤其涉及一种纳米复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
氢气由于其燃烧效率高、产物无污染等优点，与太阳能、核能一起被称为三大新能源。作为一种新能源，氢气在航空、动力等领域得到广泛的应用；同时，氢气作为一种还原性气体和载气，在化工、电子、医疗、金属冶炼，特别在军事国防领域有着极为重要的应用价值。但氢气分子很小，在生产、储存、运输和使用的过程中易泄漏；同时，由于氢气不利于呼吸，无色无味，不能被人鼻所发觉，且着火点仅为58℃，空气中含量在4％～75％范围内，遇明火即发生爆炸，故在氢气的使用中必须利用氢气传感器对环境中氢气的含量进行检测，并对其泄漏进行监测。氢气传感器在常温下对氢气非常敏感且具有很好的选择性，可以作为检测环境中氢气浓度的传感器，出于生产生活中对安全的要求，快速、灵敏的氢气传感器是十分必要的，能够及时避免爆炸的可能性。氢气传感器主要有两类：一类是半导体传感器，另一类是热电型传感器。其中半导体传感器主要是以电阻型半导体传感器为主，主要以SnO2、ZnO、WO3等金属氧化物为气敏材料。其工作原理是：当吸附氢气后，氢气作为施主释放出电子，与化学吸附层中的氧离子结合，结合后依据气敏层中载流子浓度发生变化以此来检测氢气的变化，该变化值与氢气体积分数存在一定的函数关系。目前的氢气传感器，选择性、安全性、稳定性、灵敏度以及输出信号弱等问题已经得到不同程度的解决，但如何实现氢气传感器的常温工作，并提高氢气传感器的安全性、降低能耗，将是今后研究工作的重点。氢气传感器的常温工作，通常考虑通过以下2种途径实现：1)发展光纤型氢气传感器，但必须解决其输出信号弱、使用寿命短以及高成本等问题；2)积极开发新的氢敏材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种纳米复合材料及其制备方法，旨在解决现有的氢气传感器常温下不能工作或常温工作性能差，安全性和能耗高的问题。本专利技术的另一目的在于提供一种含有上述纳米复合材料的氢气传感器件。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种纳米复合材料，包括交联结合的金属氧化物纳米颗粒和碳纳米管，所述纳米复合材料具有如下化学结构单元：M@(NH-R-SiO3)nCm或M@(SH-R-SiO3)nCm，其中，M为金属氧化物纳米颗粒，@表示NH-R-SiO3与金属氧化物纳米颗粒表面的金属元素交联结合，Cm为碳纳米管，R为烃基或烃基衍生物，n<m。相应的，一种上述纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：提供金属氧化物纳米颗粒和碳纳米管，对所述碳纳米管进行表面羟基修饰处理，得到羟基化碳纳米管；将所述羟基化碳纳米管硅烷偶联剂混合后脱水，制备得到硅烷偶联剂修饰的碳纳米管，所述硅烷偶联剂修饰的碳纳米管的具有如下化学结构单元为(NH2-R-SiO3)nCm或(SH2-R-SiO3)nCm,其中R为烃基或烃基衍生物；将所述金属氧化物纳米颗粒和所述硅烷偶联剂修饰的碳纳米管混合，在碱性条件下，所述金属氧化物纳米颗粒与所述碳纳米管通过硅烷偶联剂交联结合，形成纳米复合材料。以及，一种氢气传感器件，包括气敏层，所述气敏层采用上述纳米复合材料制成。本专利技术提供的纳米复合材料，包括金属氧化物纳米颗粒和具有优异导电性的碳纳米管，且所述金属氧化物纳米颗粒和碳纳米管通过分子桥交联结合。一方面，所述碳纳米管在室温下具有较高的导电性能，能够实现气敏传感器在室温下的电荷效应(即器件电流)；同时，所述碳纳米管具有的良好的热导性并且具有非常大的管长与管径比，因此沿着长度方向的热交换性能很高，可以把氢气传感器所产生的热量快速的传导给电极进行散热，避免因传感器在对氢气的吸附和解吸附过程中温度过高产生着火、爆炸等安全隐患，提高了氢气传感器的安全性能，实现氢气传感器的常温工作。另一方面，所述金属氧化物纳米颗粒和碳纳米管通过分子桥交联结合，能够有效的实现金属氧化物纳米颗粒与碳纳米管的欧姆接触，降低接触势垒(金属氧化物纳米颗粒在对氢气的吸附和解吸附过程引起的电阻变化通过与碳纳米管的欧姆接触能够实现电荷的快速的传导，从而降低氢气传感器件的功耗)。此外，本专利技术采用-NH-R-Si(O-)3或-SH-R-Si(O-)3作为分子桥，有利于电荷的传导；同时，-NH-R-Si(O-)3或-SH-R-Si(O-)3作为分子桥具有耐水、抗老化性能，因此可以提高传感器的使用寿命。本专利技术提供的纳米复合材料的制备方法，只需将所述碳纳米管进行表面改性(先羟基化，然后与硅烷偶联剂脱水结合)后，与所述金属氧化物纳米颗粒混合均匀，所述金属氧化物纳米颗粒与所述碳纳米管通过硅烷偶联剂即可交联结合。该方法操作简单，易于重复，并且可以采用溶液加工法如印刷、涂布的方法成膜，不仅节省原料降低成本，而且用作氢气传感器的气敏层时，能够有效地改善气敏传感器的安全性，而且能够改善氢气传感器的功耗。本专利技术提供的氢气传感器件，利用所述纳米复合材料作为气敏层材料，制备的氢气传感器不仅能够改善气敏传感器常温下的安全性，而且能够改善氢气传感器的功耗。附图说明图1是本专利技术实施例1制备的纳米复合材料的结构示意图。具体实施方式为了使本专利技术要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本专利技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。本专利技术实施例提供了一种纳米复合材料，包括交联结合的金属氧化物纳米颗粒和碳纳米管，所述纳米复合材料具有如下化学结构单元：M@(NH-R-SiO3)nCm或M@(SH-R-SiO3)nCm，其中，M为金属氧化物纳米颗粒，@表示NH-R-SiO3与金属氧化物纳米颗粒表面的金属元素交联结合，Cm为碳纳米管，R为烃基或烃基衍生物，n<m。本专利技术实施例提供的纳米复合材料，包括金属氧化物纳米颗粒和具有优异导电性的碳纳米管，且所述金属氧化物纳米颗粒和碳纳米管通过分子桥交联结合。一方面，所述碳纳米管在室温下具有较高的导电性能，能够实现气敏传感器在室温下的电荷效应(即器件电流)；同时，所述碳纳米管具有的良好的热导性并且具有非常大的管长与管径比，因此沿着长度方向的热交换性能很高，可以把氢气传感器所产生的热量快速的传导给电极进行散热，避免因传感器在对氢气的吸附和解吸附过程中温度过高产生着火、爆炸等安全隐患，提高了氢气传感器的安全性能，实现氢气传感器的常温工作。另一方面，所述金属氧化物纳米颗粒和碳纳米管通过分子桥交联结合，能够有效的实现金属氧化物纳米颗粒与碳纳米管的欧姆接触，降低接触势垒(金属氧化物纳米颗粒在对氢气的吸附和解吸附过程引起的电阻变化通过与碳纳米管的欧姆接触能够实现电荷的快速的传导，从而降低氢气传感器件的功耗)。此外，本专利技术实施例采用-NH-R-Si(O-)3或-SH-R-Si(O-)3作为分子桥，有利于电荷的传导；同时，-NH-R-Si(O-)3或-SH-R-Si本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米复合材料，其特征在于，包括交联结合的金属氧化物纳米颗粒和碳纳米管，所述纳米复合材料具有如下化学结构单元：M@(NH‑R‑SiO3)nCm或M@(SH‑R‑SiO3)nCm；其中，M为金属氧化物纳米颗粒，@表示NH‑R‑SiO3与金属氧化物纳米颗粒表面的金属元素交联结合，Cm为碳纳米管，R为烃基或烃基衍生物，n<m。

【技术特征摘要】
1.一种纳米复合材料，其特征在于，包括交联结合的金属氧化物纳米颗粒和碳纳米管，所述纳米复合材料具有如下化学结构单元：M@(NH-R-SiO3)nCm或M@(SH-R-SiO3)nCm；其中，M为金属氧化物纳米颗粒，@表示NH-R-SiO3与金属氧化物纳米颗粒表面的金属元素交联结合，Cm为碳纳米管，R为烃基或烃基衍生物，n<m。2.如权利要求1所述的纳米复合材料，其特征在于，所述碳纳米管的管长与管径比为30-200。3.如权利要求1或2所述的纳米复合材料，其特征在于，所述碳纳米管的管长与管径比与所述金属氧化物纳米颗粒的质量比为100：(200-400)mg。4.如权利要求1或2所述的纳米复合材料，其特征在于，所述R选自-(CH2)3-、-(CH2)2-、-(CH2)3NH(CH2)3-、-(CH2)2NH(CH2)3-中的至少一种。5.如权利要求1或2所述的纳米复合材料，其特征在于，所述金属氧化物纳米颗粒为n型金属氧化物纳米颗粒，和/或所述金属氧化物纳米颗粒的粒径小于100nm。6.如权利要求5所述的纳米复合材料，其特征在于，所述的金属氧化物纳米颗粒选自SnO2、ZnO、WO3、V2O5或Cr2O3。7.如权利要求5或6所述的纳米复合材料，其特征在于，所述金属氧化物纳米颗粒中含有金属掺杂元素，所述金属掺杂元素选自Pt、Pb中的至少一种。8...

【专利技术属性】
技术研发人员：程陆玲，杨一行，
申请(专利权)人：TCL集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44