基于碳颗粒修饰的介孔氧化铁纳米棒结构的气敏纳米材料、制备工艺及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种基于碳颗粒修饰的介孔氧化铁纳米棒结构的气敏纳米材料、制备工艺及其应用。本发明专利技术采用自牺牲模板法，对溶剂热法制备得到的模板材料Fe‑MOF纳米棒进行一步煅烧的工艺，得到了碳颗粒修饰的介孔氧化铁纳米棒异质结构。本发明专利技术的材料制备方法具有成本低、合成工艺简单、制备效率高和可规模化生产等优点。制得的异质气敏纳米材料能够对ppb级微量丙酮气体实现超灵敏、高选择性探测，不仅能够广泛应用于化工产业和实验室等气体泄漏排放的监测，同时应用于人体呼出气检测可实现对I型糖尿病的筛查，应用于环境检测和医疗健康领域。

【技术实现步骤摘要】
基于碳颗粒修饰的介孔氧化铁纳米棒结构的气敏纳米材料、制备工艺及其应用
本专利技术涉及半导体纳米材料制备和气体传感应用
，具体指一种基于碳颗粒修饰的介孔氧化铁纳米棒结构的气敏纳米材料、制备工艺及其应用。
技术介绍
近年来，气体传感技术在有毒气体检测、环境监测、烟雾报警、汽车尾气排放控制和智能家居等各个领域都发挥着重要的作用。随着纳米科学和纳米技术的飞速发展，设计高比表面积、高孔隙率的多孔异质金属氧化物纳米材料作为气敏材料已成为气体传感领域研究的热点。同时，基于半导体金属氧化物纳米材料的化学电阻式气体传感器具有成本低、稳定性好、制造工艺简单、可规模化制备等的优点，受到了广泛的研究关注。传统的多孔金属氧化物的制备多采用硬模板法。然而，硬模板法的制备工艺通常需要使用昂贵且有毒的试剂，并且制备步骤较为繁琐，亟待改进。因此，一种简单高效且形貌可控的以金属有机框架（MOF）材料为自牺牲模板的多孔金属氧化物制备工艺引起了极大的研究兴趣。MOF本身就是一种多孔材料，由金属离子和有机配体自组装而成，具有孔隙率高和比表面积大等特点，应用于气体传感领域有利于增加气体的吸附面积而提高传感器件的灵敏度。此外，MOF材料的组分和形貌可以通过更换或修饰金属离子和有机配体而进行调控。以MOF作为自牺牲模板经过精确控制的热解反应，可以得到形貌类似且孔隙率得到较好保留的多孔纯金属氧化物MOF衍生材料。而据我们所知，目前还没有关于设计和制备碳颗粒修饰的介孔氧化铁这种形貌和组分可控的异质Fe-MOF衍生纳米材料并用于气体传感领域。>丙酮是一种挥发性有机化合物，其作为极性溶剂又是化工生产和实验室常用的反应试剂。然而，过量吸入丙酮气体会抑制人体的中枢神经系统，对人体健康造成损害，因此对丙酮实现微量传感在环境监测领域具有重要的意义。此外，随着医学技术的不断提高，已有相关文献报道证实准确检测人体呼出气中的丙酮浓度可以筛查糖尿病等疾病。因此，低成本、高效率、高灵敏度和选择性的丙酮气体传感器未来也将在无创医学诊断方面发挥巨大的作用。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于碳颗粒修饰的介孔氧化铁纳米棒结构的气敏纳米材料、制备工艺及其应用。本专利技术提出了一种新型简单高效的大规模制备碳颗粒修饰的介孔氧化铁纳米棒异质纳米材料的合成路线，具体方案是通过溶剂热反应制备多孔Fe-MOF纳米棒，并以此作为自牺牲模板经过一步煅烧得到碳颗粒修饰的介孔氧化铁纳米棒。其中，本专利技术采用先进的自牺牲模板想法和简单高效的一步煅烧热解技术，具有低成本，高制备效率和高重复性等优点，为规模化制备多孔异质气敏纳米材料提供了一种全新的思路。本专利技术制备得到的碳颗粒修饰的介孔氧化铁纳米棒材料，作为气敏材料具有孔隙率高、比表面积大、响应灵敏、选择性好和稳定性好的特点。本专利技术中，自牺牲模板材料Fe-MOF纳米棒的制备采用溶剂热法，再经过合成条件简单易控的一步煅烧工艺得到最终的产物，即碳颗粒修饰的介孔氧化铁纳米棒。本专利技术的技术解决方案具体如下。本专利技术提供一种基于碳颗粒修饰的介孔氧化铁纳米棒结构气敏纳米材料的制备工艺，具体步骤如下：（1）配制F127浓度为0.009~0.012g/mL，六水三氯化铁浓度为0.010~0.015g/mL的混合水溶液A；（2）将步骤（1）中制备的混合溶液A搅拌0.5~2小时后，注入适量无水乙酸，得到混合溶液B；（3）将步骤（2）中制备的混合溶液B搅拌0.5~2小时后，加入适量2-氨基对苯二甲酸固体，得到混合溶液C；（4）将步骤（3）中制备的混合溶液C搅拌1~3小时后，作为前驱体溶液倒入水热釜中进行溶剂热反应，完成后用乙醇清洗数次并吹干，得到自牺牲模板材料Fe-MOF纳米棒；（5）将步骤（4）中得到的自牺牲模板材料Fe-MOF纳米棒待室温下或烘箱中完全干燥后，将样品放入马弗炉中煅烧；煅烧结束后，自然冷却至室温，得到碳颗粒修饰的介孔氧化铁纳米棒异质气敏纳米材料。上述步骤（2）中，无水乙酸与混合溶液A体积比为0.03~0.05。上述步骤（3）中，加入2-氨基对苯二甲酸后其浓度为0.003~0.005g/mL。上述步骤（4）中，溶剂热反应的生长温度为100~120℃，生长时间为12~36小时。上述步骤（4）中，得到的Fe-MOF纳米棒平均直径在70~100nm之间，平均长度在500~600nm之间。上述步骤（5）中，采用烘箱干燥时，烘箱的设置温度不高于80℃。上述步骤（5）中，马弗炉的煅烧温度为250~350℃，煅烧时间为1~3h。本专利技术还提供一种上述制备工艺制得的基于碳颗粒修饰的介孔氧化铁纳米棒结构的气敏纳米材料。本专利技术得到的碳颗粒修饰的介孔氧化铁纳米棒的平均直径在50~80nm之间，平均长度在450~550nm之间，介孔的平均直径在3~5nm之间，碳颗粒的平均直径在5~10nm之间。本专利技术进一步提供一种基于碳颗粒修饰的介孔氧化铁纳米棒结构的气敏纳米材料在检测丙酮气体方面的应用。和现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：1、以MOF材料为自牺牲模板采用一步煅烧法得到衍生物，相比于单纯的MOF材料，其化学稳定性和热稳定性大幅提高，克服了单纯MOF材料室温响应差而较高工作温度下热稳定性又较差的矛盾，有利于气体传感器件长期稳定性和使用寿命的提高。2、相比于其它单一金属氧化物MOF衍生材料，此碳颗粒修饰的介孔氧化铁纳米棒材料在有效增加了材料的孔隙率和比表面积的基础上，形成了碳@氧化物异质结构，从而能够进一步提升材料的气敏响应；同时，由于碳的导电性远远好于金属氧化物半导体材料，碳颗粒修饰也能够有效提升材料对探测气体的响应/恢复速度。3、本专利技术的新型多孔异质材料的制备工艺将溶剂热法与合成过程简单高效的一步煅烧法相结合，并开创性地利用了自牺牲模板的想法，不仅有效克服了传统硬模板法制备工艺复杂度高，成本高的问题，同时还具有重复性好，制备效率高，适合规模化制备等优势。4、本专利技术的碳颗粒修饰的介孔氧化铁纳米棒结构的异质气敏纳米材料能够对0.5~2.5ppm微量丙酮实现超灵敏、高选择性探测，一方面，将在环境监测领域发挥重大的作用；另一方面，由于对丙酮气体的可探测范围完全覆盖了区别健康人体和I型糖尿病患者呼出气中丙酮浓度的不同分布，未来也将在无创医学诊断方面发挥巨大的作用。附图说明图1为本专利技术一种基于碳颗粒修饰的介孔氧化铁纳米棒结构的异质气敏纳米材料制备工艺的流程框图。图2为实施例1得到的Fe-MOF纳米棒的SEM表征图。图3为实施例1得到的碳颗粒修饰的介孔氧化铁纳米棒的SEM表征图。图4为实施例1得到的碳颗粒修饰的介孔氧化铁纳米棒的TEM表征图。图5为实施例1得到的单纯Fe-MOF纳米棒和碳颗粒修饰的介孔氧化铁纳米棒这两个器件的微量丙酮气敏性能测试结果图。图6为实施例1得到的碳颗粒修饰的介孔氧化铁纳米棒气体传感器件对七种常见有害气体（丙酮、二氧化氮、硫化氢、氨气、甲本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于碳颗粒修饰的介孔氧化铁纳米棒结构的气敏纳米材料的制备工艺，其特征在于，具体步骤如下：/n（1）配制F127浓度为0.009~0.012g/mL，六水三氯化铁浓度为0.010~0.015g/mL的混合水溶液A；/n（2）将步骤（1）中制备的混合溶液A搅拌0.5~2小时后，注入适量无水乙酸，得到混合溶液B；/n（3）将步骤（2）中制备的混合溶液B搅拌0.5~2小时后，加入适量2-氨基对苯二甲酸固体，得到混合溶液C；/n（4）将步骤（3）中制备的混合溶液C搅拌1~3小时后，作为前驱体溶液倒入水热釜中进行溶剂热反应，完成后用乙醇清洗数次并吹干，得到自牺牲模板材料Fe-MOF纳米棒；/n（5）将步骤（4）中得到的自牺牲模板材料Fe-MOF纳米棒待室温下或烘箱中完全干燥后，将样品放入马弗炉中煅烧；煅烧结束后，自然冷却至室温，得到碳颗粒修饰的介孔氧化铁纳米棒异质气敏纳米材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于碳颗粒修饰的介孔氧化铁纳米棒结构的气敏纳米材料的制备工艺，其特征在于，具体步骤如下：
（1）配制F127浓度为0.009~0.012g/mL，六水三氯化铁浓度为0.010~0.015g/mL的混合水溶液A；
（2）将步骤（1）中制备的混合溶液A搅拌0.5~2小时后，注入适量无水乙酸，得到混合溶液B；
（3）将步骤（2）中制备的混合溶液B搅拌0.5~2小时后，加入适量2-氨基对苯二甲酸固体，得到混合溶液C；
（4）将步骤（3）中制备的混合溶液C搅拌1~3小时后，作为前驱体溶液倒入水热釜中进行溶剂热反应，完成后用乙醇清洗数次并吹干，得到自牺牲模板材料Fe-MOF纳米棒；
（5）将步骤（4）中得到的自牺牲模板材料Fe-MOF纳米棒待室温下或烘箱中完全干燥后，将样品放入马弗炉中煅烧；煅烧结束后，自然冷却至室温，得到碳颗粒修饰的介孔氧化铁纳米棒异质气敏纳米材料。


2.如权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，步骤（2）中，无水乙酸与混合溶液A的体积比为0.03:1~0.05:。


3.如权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，步骤（3）中，加入2-氨基对苯二甲酸后其浓度为0.00...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢红亮，朱立远，袁凯平，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31