一种MoS2/CeO2复合气敏材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及半导体氧化物气敏材料技术领域，特别涉及一种MoS2/CeO2复合气敏材料及其制备方法和应用。本发明专利技术采用二次水热制备出修饰有CeO2纳米颗粒且具有大比表面积的由许多蠕虫状胶束组成的MoS2纳米花；随后将MoS2/CeO2复合材料经过管式炉热处理后，在叉指电极上制备出MoS2/CeO2气敏涂层，最后经老化台热处理，得到基于MoS2/CeO2的乙醇气敏元件。该气敏元件在室温下获得对30ppm乙醇气体的最大灵敏度5.2，响应时间和恢复时间分别为7s和5s，可逆性和选择性好，响应/恢复速度快，采用二次水热这种简单、低成本的制备方法，将CeO2纳米颗粒成功地紧密附着在MoS2纳米花上，大幅度地降低了功能型MoS2/CeO2纳米材料的制备成本。纳米材料的制备成本。纳米材料的制备成本。

A MoS2 / CeO2 composite gas sensing material and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种MoS2/CeO2复合气敏材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及半导体氧化物气敏材料
，特别涉及一种MoS2/CeO2复合气敏材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着科技的发展，越来越多的可燃性气体作为能源应用于工业生产和人们的日常生活中。但是可燃性气体在给人们带来极大便利的同时，也存在巨大隐患。可燃性气体发生泄漏达到爆炸极限后，一旦有火源作用，便会引起燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失，甚至会危及生命安全。可燃性气体通常指城市煤气、石油液化气、汽油蒸汽、酒精蒸汽、天然气以及煤矿瓦斯等。其中，乙醇在常温常压下是一种易燃、易挥发的无色透明液体，低毒性，其蒸气能与空气形成爆炸性混合物。同时，在生产中长期接触高浓度乙醇可引起鼻、眼、粘膜刺激症状，以及头痛、头晕、疲乏、易激动、震颤、恶心等。因此，为了减少这类事故的发生有效保护人身安全，亟需开发出一种适用于低浓度检测、选择性好的乙醇气体传感器。
[0003]MoS2由通过强共价键或离子键连接的原子或分子的单层或多层组成，而相邻的层由弱范德华力约束。与传统的块状相材料相比，它们具有独特的二维结构，超高的比表面积，在室温下具有出色的载流子迁移率，因此作为一种半导体气体敏感材料，它们即使在室温下也表现出良好的灵敏度。然而，可以发现，未经处理的单一MoS2在选择性、响应和恢复速度方面表现相对较差，这可能是由于MoS2对类似气体分子的交叉响应以及缓慢的电荷转移机制导致检测时间长所致。
[0004]CeO2是一种常见的稀土化合物，由于其独特的电子结构，表现出优异的氧化还原性能及卓越的储氧能力，成为催化和燃料电池领域的明星材料。CeO2因具有良好的耐化学腐蚀性、无毒性、环境友好、安全性和可靠性等优点,在气敏传感器研究领域引起了人们的极大关注。除此之外，丰富的氧空位和结构中的Ce
4+
和Ce
3+
之间电子的可逆化传输，也使其成为一种很好的气敏材料。但是纯氧化铈阻值很大且单独使用时需要较高的工作温度。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的不足，本专利技术提供了一种MoS2/CeO2复合气敏材料及其制备方法和应用，以解决
技术介绍
中存在的问题。
[0006]本专利技术为实现上述目的采用的技术方案是：一种MoS2/CeO2复合气敏材料，通过将CeO2纳米颗粒紧密附着于MoS2纳米花的表面，得到MoS2/CeO2复合气敏材料，所述MoS2具有许多蠕虫状胶束组成的花状结构。
[0007]进一步的，所述MoS2纳米花的直径为600～720nm、厚度为200～240nm，所述CeO2纳米颗粒的直径为10～30nm。
[0008]本专利技术还包括一种制备MoS2/CeO2复合气敏材料的方法，
[0009]①
制备MoS2水热溶液：在强磁力搅拌下，将Na2MoO4·
2H2O和硫代乙酰胺添加到去离子水中得到混合溶液，将2mol/L的HCl加入到混合溶液中，直到溶液pH值达到5；
[0010]②
制备MoS2粉末：将步骤
①
所得混合液移至反应釜中，并在220℃下加热14h，用去离子水洗涤几次后得到MoS2粉末，并干燥；
[0011]③
将步骤
②
所得的MoS2添加到50mL的去离子水和30mL的乙醇混合溶液中，然后，通过充分搅拌将Ce(NO3)3·
6H2O加入并溶解；
[0012]④
将步骤
③
所得分散液移至反应釜中，并在180℃下处理24h，沉淀物用去离子水和乙醇离心洗涤，然后干燥得到黑色粉末；将所得黑色粉末经热处理后即得所述MoS2/CeO2复合气敏材料。
[0013]进一步的，所述步骤
①
的具体步骤为：将1.0g的Na2MoO4·
2H2O和1.2g的硫代乙酰胺添加到80mL的去离子水中，控制搅拌温度40～50℃、搅拌速度600～800rpm、搅拌时间10～15min，加入2mol/L的HCl调节溶液pH为5，得到MoS2水热溶液；
[0014]或，所述步骤
②
中的干燥温度为60～80℃，干燥时间为12～24h；
[0015]或，所述步骤
④
中产物经500～550℃条件下热处理2～4h。
[0016]进一步的，所述步骤
③
中MoS2与Ce(NO3)3·
6H2O的摩尔比为1:20。
[0017]本专利技术还包括一种MoS2/CeO2复合气敏材料的应用，所述气敏材料用于制备气敏涂层，所述气敏涂层可对乙醇气体产生响应。
[0018]本专利技术还包括一种MoS2/CeO2复合气敏材料的应用，所述气敏材料用于制备气敏元件，所述气敏元件的涂层为上述的气敏涂层；
[0019]所述气敏元件还包括氧化铝陶瓷基底、Ni/Cu叉指电极；
[0020]所述气敏涂层附着于叉指电极表面。
[0021]进一步的，
[0022]所述气敏元件的制备方法为：
[0023]将MoS2/CeO2粉末通过超声处理0.5h，使其充分溶解在去离子水中，形成均匀的糊状物，将糊状料浆涂于Ni/Cu叉指电极，成为气敏涂层；
[0024]将涂有气敏涂层的气敏元件在60℃下干燥6h，并将其置于老化台上于300℃下老化24h。
[0025]本专利技术还包括一种MoS2/CeO2复合气敏材料的应用，所述气敏材料用于制备乙醇气体传感器，所述传感器的气敏元件的气敏涂层为上述的气敏涂层，或所述传感器的气敏元件为上述的气敏元件；
[0026]所述气敏传感器对乙醇气体的浓度检测范围为1ppm～50ppm。
[0027]进一步的，所述乙醇气体传感器的传感机理为：
[0028]首先，CeO2中Ce
4+
到Ce
3+
的转化伴随着氧缺陷的形成，如等式所示：
[0029]Ce
4+
+O2‑
＝Ce
3+
+Vo
··
+O2，具有两个负电荷的氧空位的缩写定义为Vo
·
，它可以充当电子给体，氧缺陷的形成使CeO2表面具有大量的氧空位，而CeO2中的氧空位的存在，会增加材料对氧的吸附力，并从材料中夺取电子以形成化学吸附的氧种类；
[0030]其次，当传感器切换到乙醇气体时，乙醇分子将与O2‑
离子反应并释放捕获的电子，导致增加敏感材料的电荷载流子，从而降低传感器的电阻，MoS2具有高的载流子迁移率，可为载流子传输提供了直接的传导路径，乙醇分子将与O2‑
离子反应式如下所示，
[0031]2CH3CH2OH+O2‑
→
2CH3CHO+2H2O+e
‑
[0032]2CH3CHO+O2‑
→
4CO2+4H2O+5e
‑
[0033]此外，MoS2和CeO2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MoS2/CeO2复合气敏材料，其特征在于：通过将CeO2纳米颗粒紧密附着于MoS2纳米花的表面，得到MoS2/CeO2复合气敏材料，所述MoS2具有许多蠕虫状胶束组成的花状结构。2.根据权利要求1所述的MoS2/CeO2复合气敏材料，其特征是：所述MoS2纳米花的直径为600～720nm、厚度为200～240nm，所述CeO2纳米颗粒的直径为10～30nm。3.一种制备权利要求1
‑
2任一项所述的MoS2/CeO2复合气敏材料的方法，其特征是：
①
制备MoS2水热溶液：在强磁力搅拌下，将Na2MoO4·
2H2O和硫代乙酰胺添加到去离子水中得到混合溶液，将2mol/L的HCl加入到混合溶液中，直到溶液pH值达到5；
②
制备MoS2粉末：将步骤
①
所得混合液移至反应釜中，并在220℃下加热14h，用去离子水洗涤几次后得到MoS2粉末，并干燥；
③
将步骤
②
所得的MoS2添加到50mL的去离子水和30mL的乙醇混合溶液中，然后，通过充分搅拌将Ce(NO3)3·
6H2O加入并溶解；
④
将步骤
③
所得分散液移至反应釜中，并在180℃下处理24h，沉淀物用去离子水和乙醇离心洗涤，然后干燥得到黑色粉末；将所得黑色粉末经热处理后即得所述MoS2/CeO2复合气敏材料。4.根据权利要求3所述的MoS2/CeO2复合气敏材料的制备方法，其特征是：所述步骤
①
的具体步骤为：将1.0g的Na2MoO4·
2H2O和1.2g的硫代乙酰胺添加到80mL的去离子水中，控制搅拌温度40～50℃、搅拌速度600～800rpm、搅拌时间10～15min，加入2mol/L的HCl调节溶液pH为5，得到MoS2水热溶液；或，所述步骤
②
中的干燥温度为60～80℃，干燥时间为12～24h；或，所述步骤
④
中产物经500～550℃条件下热处理2～4h。5.根据权利要求3所述的MoS2/CeO2复合气敏材料的制备方法，其特征是：所述步骤
③
中MoS2与Ce(NO3)3·
6H2O的摩尔比为1:20。6.一种MoS2/CeO2复合气敏材料的应用，所述气敏材料具有权利要求1
‑
2任一项所述的结构或根据权利要求3
‑
5任一项所述的方法制备，其特征在于：所述气敏材料用于制备气敏涂层，所述气敏涂层可对乙醇气体产生响应。7.一种MoS2/CeO2复合气敏材料的应用，所述气敏材料具有权利要求1
‑
2任一项所述的结构，或根据权利要求3
‑
5任一项所述的方法制备，其特征在于：所述气敏材料用于制备气敏元件，所述气敏元件的涂层为权利要求6所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张冬至，张建华，李停停，王东岳，王兴伟，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：