一种基于光合作用机制的气敏膜的制备方法及气体传感器技术

本发明专利技术提供了一种基于光合作用机制的气敏膜的制备方法及气体传感器，属于气体传感技术领域，所述方法包括以下步骤：(1)将PS I金属氧化物前驱体在水浴条件下搅拌得到PS I金属氧化物前驱体溶液；(2)将金属纳米颗粒前驱体与PS I金属氧化物前驱体溶液混合，水浴条件下搅拌得到混合溶剂；(3)将PS II金属氧化物颗粒分散在混合溶剂中；(4)加入二乙醇胺，搅拌后，滴加氨水调节溶液pH得到稳定均匀的溶胶；(5)将制备得的溶胶在室温下静置陈化；(6)在干燥箱中干燥，研磨至细粉末状，放入马弗炉中进行煅烧得气敏膜。在气敏检测过程中既能有效促进光生电荷的有效分离，又解决了传统异质结构氧化还原能力不足的问题，使光激发电荷获得最充分的利用。

A preparation method of gas sensitive membrane and gas sensor based on photosynthesis mechanism

【技术实现步骤摘要】
一种基于光合作用机制的气敏膜的制备方法及气体传感器
本专利技术涉及气体传感
，具体涉及一种基于光合作用机制的气敏膜的制备方法及气体传感器。
技术介绍
在复杂背景中对痕量组份的正确识别和灵敏响应一直是气体传感器研究的热点和难点，在优化现有检测技术的基础上，探索新的气敏机理以及发展可靠易行的检测方法具有重要意义。为了能够精确分析检测环境中的有毒有害气体，人们尝试了几乎所有的分析测试方法包括色谱(GC)、质谱(MS)、毛细管电泳(CE)、色-质谱联用(GC-MS)以及色谱-检测器联用等。然而，这些仪器体积庞大、操作复杂、分析时间长、价格昂贵、需要专业人员值守，难以进行在线自动监测、或针对突发事件进行快速应急响应的需求。因此，亟待发展高灵敏、高选择、便携、低成本的气体传感器。国内外科研人员很早已开展研究用于各类环境中有毒有害气体检测的传感器，主要包括石英晶体微量天平QCM，声表面波SAW，以及半导体电阻型气体传感器。但是QCM和SAW传感器虽然对待测气体具有很高的灵敏度，但是它们的基线稳定性较差，对外界环境敏感，尤其是气流、温度等因素，待检测的微弱信号在很大程度上可能会被基底信号的波动所掩盖而难以获取。氧化物半导体气体传感器对有毒有害气体的检测试验发现，对其他多种气体都具有较大的敏感特性。但是，为了到达最佳灵敏度需要在加热的条件下进行气敏检测，功耗较大不便于IC集成。因此，研究人员尝试在室温条件下制备光辅助型半导体气体传感器。①阿根延巴里洛切原子能研究中心的J.Saurazai，见文献SensorsandActuatorsB：Chemical，17，1994，211-214在1994年首次发现在紫外光下SnO2基气体传感器对丙酮有很好的响应，此后各国研究者投入大量工作在ZnO、TiO2、WO3等半导体气体敏感材料。为了进一步提高检测灵敏度，黑龙江大学的Deng，SensorsandActuatorsB：Chemical，297，2019，126816利用的浸渍法合成多孔的CuO-SnO2，通过半导体复合构筑异质结构在紫外光辅助下晶界耗尽层产生大量电子-空穴对，降低晶界势垒高度，提高气体探测极限。传统异质结构能够促进光生电荷的有效分离如图1所示，然而，光生电荷转移后，光生电子位于导带电位更正的半导体Ⅱ的导带上，还原能力减弱；相应地，光生空穴迁移至电位更负的半导体I的价带上，氧化能力减弱。这样的话，必然限制异质复合材料的实际应用。半导体材料光生电子-空穴对容易复合及传统异质结构氧化还原能力不足的问题始终没有正面解决。
技术实现思路
针对上述单一半导体材料光生电子-空穴对容易复合及传统异质结构氧化还原能力不足，使光激发电荷得不到充分利用的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于光合作用机制的气敏膜的制备方法及气体传感器。一种基于光合作用机制的气敏膜的制备方法，包括以下步骤：(1)将PSI金属氧化物前驱体在水浴条件下搅拌得到PSI金属氧化物前驱体溶液；(2)将金属纳米颗粒前驱体与步骤(1)中得到的PSI金属氧化物前驱体溶液混合，水浴条件下搅拌得到混合溶剂；(3)将PSII金属氧化物颗粒分散在步骤(2)得到的混合溶剂中，水浴条件下搅拌后进行超声处理；(4)向步骤超声处理后的混合溶剂中加入二乙醇胺，搅拌后，滴加氨水调节溶液pH得到稳定均匀的溶胶；(5)将制备得的溶胶在室温下静置陈化；(6)陈化的凝胶在干燥箱中干燥，然后研磨至细粉末状，放入马弗炉中进行煅烧得到PSI金属氧化物颗粒/金属纳米颗粒/PSII金属氧化物颗粒即为气敏膜。本申请的技术方案中，PSI金属氧化物颗粒/金属纳米颗粒/PSII金属氧化物颗粒即为气敏膜结构区别于以往光辅助型半导体复合的异质结构，利用体系界面的双光子激发和低电阻欧姆接触，一方面抑制光生电子-空穴对的复合，提高光辅助型气体传感器的灵敏度，发展室温工作的半导体气体传感器；另一方面降低对光子能量的需求，实现了气敏响应的可见光增强。在气敏检测过程中既能有效促进光生电荷的有效分离，又解决了传统异质结构氧化还原能力不足的问题，使光激发电荷获得最充分的利用。本专利技术利用光合作用机制构筑的气敏材料体系在提高光生电荷分离效率的同时拓宽了光谱响应范围，可以有效地增加半导体氧化物的表面光生电子浓度，根据表面空间电荷层气敏机理模型，在空气中更多电子将从敏感材料向氧气分子发生转移形成吸附氧，进而在与目标气体反应过程中影响材料自身的电阻变化，提高检测灵敏度和探测极限。本专利技术的制备方法简单，原料易得，有益于大规模推广利用。优选的，步骤(1)中PSI金属氧化物前驱体溶液为含至少钛、钨、锡、锌金属离子中一种的水溶液，摩尔浓度为0.01-1mol/L。优选的，步骤(1)中水浴条件下为55-65℃，搅拌时间为1-3小时。优选的，步骤(2)中，金属纳米颗粒前驱体包括硝酸银、氯金酸、硝酸钯，溶剂为二甲基甲酰胺、乙醇或乙二醇中的一种，PSI金属氧化物前驱体和金属纳米颗粒前驱体的摩尔比为100∶1-100∶50。优选的，步骤(2)中，水浴条件下为55-65℃，搅拌时间为1-3小时。优选的，步骤(3)中，PSI金属氧化物前驱体与PSII金属氧化物颗粒的摩尔浓度比为1∶1-100∶1，超声处理时间为5-10小时，超声功率为100-500瓦。优选的，步骤(4)中，二乙醇胺的量为1.8-2.2ml，滴加氨水调节溶液pH为7.8-8.2。优选的，步骤(5)中，室温下静置陈化70-75小时。优选的，步骤(6)中，干燥箱中干燥22-26小时，马弗炉中煅烧温度为600-700摄氏度，煅烧时间为2-4小时，退火处理的气体氛围为空气。一种基于光合作用机制的气敏膜的制备方法制得的气体传感器，所述气体传感器从下至上依次包括亲水性处理后的聚酰亚胺柔性基底层、金叉指电极层和PSI金属氧化物颗粒/金属纳米颗粒/PSII金属氧化物颗粒的气敏膜层。相较于现有技术，本专利技术的有益效果是：(1)PSI金属氧化物颗粒/金属纳米颗粒/PSII金属氧化物颗粒即为气敏膜结构区别于以往光辅助型半导体复合的异质结构，利用体系界面的双光子激发和低电阻欧姆接触，一方面抑制光生电子-空穴对的复合，提高光辅助型气体传感器的灵敏度，发展室温工作的半导体气体传感器；另一方面降低对光子能量的需求，实现了气敏响应的可见光增强；(2)在气敏检测过程中既能有效促进光生电荷的有效分离，又解决了传统异质结构氧化还原能力不足的问题，使光激发电荷获得最充分的利用；(3)利用光合作用机制构筑的气敏材料体系在提高光生电荷分离效率的同时拓宽了光谱响应范围，可以有效地增加半导体氧化物的表面光生电子浓度，根据表面空间电荷层气敏机理模型，在空气中更多电子将从敏感材料向氧气分子发生转移形成吸附氧，进而在与目标气体反应过程中影响材料自身的电阻变化，提高检测灵敏度和探测极限；(4)本专利技术的制备方法简单，原料易得，有益于大规模推广利用。附图说明图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光合作用机制的气敏膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)将PS I金属氧化物前驱体在水浴条件下搅拌得到PS I金属氧化物前驱体溶液；/n(2)将金属纳米颗粒前驱体与步骤(1)中得到的PS I金属氧化物前驱体溶液混合，水浴条/n件下搅拌得到混合溶剂；/n(3)将PS II金属氧化物颗粒分散在步骤(2)得到的混合溶剂中，水浴条件下搅拌后进行超声处理；/n(4)向步骤超声处理后的混合溶剂中加入二乙醇胺，搅拌后，滴加氨水调节溶液pH得到稳定均匀的溶胶；/n(5)将制备得的溶胶在室温下静置陈化；/n(6)陈化的凝胶在干燥箱中干燥，然后研磨至细粉末状，放入马弗炉中进行煅烧得到PSI金属氧化物颗粒/金属纳米颗粒/PS II金属氧化物颗粒即为气敏膜。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于光合作用机制的气敏膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将PSI金属氧化物前驱体在水浴条件下搅拌得到PSI金属氧化物前驱体溶液；
(2)将金属纳米颗粒前驱体与步骤(1)中得到的PSI金属氧化物前驱体溶液混合，水浴条
件下搅拌得到混合溶剂；
(3)将PSII金属氧化物颗粒分散在步骤(2)得到的混合溶剂中，水浴条件下搅拌后进行超声处理；
(4)向步骤超声处理后的混合溶剂中加入二乙醇胺，搅拌后，滴加氨水调节溶液pH得到稳定均匀的溶胶；
(5)将制备得的溶胶在室温下静置陈化；
(6)陈化的凝胶在干燥箱中干燥，然后研磨至细粉末状，放入马弗炉中进行煅烧得到PSI金属氧化物颗粒/金属纳米颗粒/PSII金属氧化物颗粒即为气敏膜。


2.根据权利要求1所述的一种基于光合作用机制的气敏膜的制备方法，其特征在于，
步骤(1)中PSI金属氧化物前驱体溶液为含至少钛、钨、锡、锌金属离子中一种的水溶液，摩尔浓度为0.01-1mol/L。


3.根据权利要求1所述的一种基于光合作用机制的气敏膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中水浴条件下为55-65℃，搅拌时间为1-3小时。


4.根据权利要求1所述的一种基于光合作用机制的气敏膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，金属纳米颗粒前驱体包括硝酸银、氯金酸、硝酸钯，溶剂为二甲基甲酰胺、乙醇或乙二醇中的一种，PSI金属氧化物前驱体和...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁欢，徐明，邓嘉豪，李蕴博，王嘉钰，
申请(专利权)人：西南民族大学，
类型：发明
国别省市：四川;51