一种SnO2/ZIF-8复合气敏材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开一种SnO2/ZIF

【技术实现步骤摘要】
一种SnO2/ZIF
‑
8复合气敏材料的制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及功能纳米材料制备
，还涉及气体传感检测
，具体涉及一种SnO2/ZIF
‑
8复合气敏材料的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]随着现代工业化生产的快速发展，传感器和传感技术进入了人们生活中的各个角落，而气敏传感器是一种检测装置，是人类认识世界重要的工具，为大家的生活提供了很多便利。工业发展中，生产出了各式各样的有毒的、有害的气体，这些气体直接或间接的被投放到我们生活环境中，严重危害着我们的健康。现在随着生态文明建设力度的加大，使得人们对自己所生活的环境有了更高的要求，也很难允许这些污染环境的毒害气体的存在。因此人们迫切的希望可以使用简单便捷的方式轻松检测出这些毒害气体。因此，开发研究出更加精确便捷的的气敏装置和传感技术也十分紧迫。因为种类单一的气敏材料某些时候无法满足实际的生产应用要求，所以需要研究通过更换不同材料、控制改变材料的形貌、添加不同物质进行材料改性，或者研究出多孔新型材料等方法，从材料的比表面积，测试时感应气体的面积和制造成本等方面，来提高传感器各项检测性能，如增长工作寿命，降低检测浓度下限，增强选择性和减少响应/恢复时间等。此外，目前开发出的气敏传感器主要应用于乙醇、甲醛、氢气、一氧化碳、二氧化硫、丙酮、挥发苯等气体，但是关于甲酸气敏材料的研究的相关报道还较为罕见。因此，开发出用于选择性检测甲酸的复合型气敏材料和传感器是亟待解决的技术问题，是现在重要的研究课题之一。<br/>[0003]金属有机框架(MOFs)材料是一种由无机金属离子(如Zn
2+
、Zr
4+
、Cu
2+
、Fe
3+
、Ln
4+
、Co
4+
等等)或金属离子簇与有机配体通过配位作用形成的具有网络结构的多孔化合物。因MOFs具有很高的比表面积，大量孔位，丰富的金属位点，其结构可调，具有灵活性和多样性
]等特点，所以使用功能也具有多样性，因此被广泛应用在催化剂、气体分离、生物及医学、离子交换、储能、太阳能电池、传感器等多个领域，在传感材料方面有很大的可行性，是目前新材料性能研究的热点之一。类沸石咪唑骨架结构材料(ZIFs)是MOFs材料的一个分支，是由开放的晶体依照一定的规律陈列而成的一种新材料。ZIFs以Zn或Co为金属中心，和对位氮杂环的连接体配位形成四面体的三维结构。ZIFs材料具有很多优点：首先含有很多大小、形状均匀的用于气体扩散的孔道，所以对于一些较小尺寸的气体分子有很好的筛分作用；其次结构相对简单，在反应中改变金属离子或有机配体的种类就能合成出各种具有不同特殊性能的ZIFs材料；最后因为有机配体咪唑所形成阴离子配体的碱性较强，和金属离子配位变强，因此具有较高的机械性能。ZIFs在合成过程中溶剂和配体具有自组装特性、其结构多功能化以及表面可以灵活调控使之在吸附剂(气体分离和存储)，离子交换剂(去除离子和水软化)，催化剂和传感器等方面具有宽阔的应用前景。目前，通过修饰制备功能化ZIFs材料也是该方向研究的热点之一。
[0004]二氧化锡粉末一般呈白色，但也有些呈现淡灰色和淡黄色，是一种无机化合物。二氧化锡熔点为1600℃，沸点为1800
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1900℃，其摩尔质量和密度分别是150.72g/mol和
6.94g/cm3，是一种两性氧化物，不溶或难溶于水和醇等极性溶剂，但能溶于热强碱和热强酸。SnO2晶体的晶胞是体心正交平行六面体，为金红石结构，其禁带宽度为3.54eV，属于宽禁带金属氧化物。人们在测出SnO2的电导率和霍尔系数后，确定其为N型导电类型，又研究出了二氧化锡N型半导体缺陷的主要原因是结构中含有氧空隙和锡间隙原子。SnO2的气敏效应首次被人发现是在1962年，在费加罗公司将掺杂了Pd、Pt的SnO2气敏元件商业化后，关于SnO2气敏元件的研究接踵而来，气敏元件类型也日益增多。SnO2气敏传感器主要包括烧结型气敏传感器和厚膜型气敏传感器：1)烧结型是目前气敏元件研究中最成熟的，烧结型在测试时需要加热，其加热方式有直热式和旁热式。其中，直热式是用气敏材料里面埋藏的加热丝来提供元件测试时所需要的工作温度，测量丝来测试元件电阻值的变化；旁热式是将穿过表面涂有气敏材料的陶瓷管内部的加热丝来提供工作温度，且加热丝只用于提供温度，而测量丝是固定在陶瓷管上的，在测量电阻值变化时不会受到加热丝的影响，具有较高的稳定性。2)厚膜型一般采用丝网印刷工艺的制作技术，丝网印刷工艺不但比薄膜型传感器的制造简单，成本低，而且提高了元件的机械强度，相比于烧结型元件，一致性良好。但是，以单一的纯二氧化锡为半导体气敏材料仍存在气敏测试过程中工作温度较高，选择性较差，响应和恢复时间较长等问题。
[0005]基于以上所述，本专利技术专利提出通过借助沸石咪唑酯骨架材料ZIF
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8的多孔筛分、大比表面积、热稳定性强等特性，对SnO2纳米材料进行掺杂改性，相比于纯SnO2，改性后SnO2的气敏性能进一步得到大幅度优化和提升，用于对甲酸的高灵敏度、高选择性检测。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足之处，本专利技术的目的在于提供一种SnO2/ZIF
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8复合气敏材料的制备方法及其应用。
[0007]本专利技术的技术方案概述如下：
[0008]一种SnO2/ZIF
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8复合气敏材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009](1)SnO2预处理：按(0.1
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0.15)g：40mL的固液比将纳米SnO2加入甲醇中，并进行超声分散，再将聚乙烯吡咯烷酮加入所得SnO2悬浊液中，控制纳米SnO2、聚乙烯吡咯烷酮的质量比为(1
‑
2):(0
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2)，磁力搅拌24h，离心、洗涤、干燥后，再配制成2mg/mL SnO2‑
甲醇悬浊液，备用；
[0010](2)制备SnO2/ZIF
‑
8复合材料：
[0011]按(1.6
‑
2.0)g:38mL的固液比将Zn(NO3)2·
6H2O溶于甲醇后，得到Zn(NO3)2‑
甲醇溶液；
[0012]按(1.6
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2.0)g:38mL的固液比将2
‑
甲基咪唑溶于甲醇，得到2
‑
甲基咪唑
‑
甲醇溶液；
[0013]将Zn(NO3)2‑
甲醇溶液、2
‑
甲基咪唑
‑
甲醇溶液加入SnO2‑
甲醇悬浊液，磁力搅拌反应24h后，将所得乳白色溶液进行离心分离，再用无水乙醇洗涤下层沉淀3
‑
4次，并收集白色产物；
[0014](3)产品干燥：80℃干燥所得白色产物干燥12h，即得白色粉末状的SnO2/ZIF
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种SnO2/ZIF
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8复合气敏材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)SnO2预处理：按(0.1
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0.15)g：40mL的固液比将纳米SnO2加入甲醇中，并进行超声分散，再将聚乙烯吡咯烷酮加入所得SnO2悬浊液中，控制纳米SnO2、聚乙烯吡咯烷酮的质量比为(1
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2):(0
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2)，磁力搅拌24h，离心、洗涤、干燥后，再配制成2mg/mL SnO2‑
甲醇悬浊液，备用；(2)制备SnO2/ZIF
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8复合材料：按(1.6
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2.0)g:38mL的固液比将Zn(NO3)2·
6H2O溶于甲醇后，得到Zn(NO3)2‑
甲醇溶液；按(1.6
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2.0)g:38mL的固液比将2
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甲基咪唑溶于甲醇，得到2
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甲基咪唑
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甲醇溶液；将Zn(NO3)2‑
甲醇溶液、2
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甲基咪唑
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甲醇溶液加入SnO2‑
甲醇悬浊液，磁力搅拌反应24h后，将所得乳白色溶液进行离心分离，再用无水乙醇洗涤下层沉淀3
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4次，并收集白色产物；(3)产品干燥：80℃干燥所得白色产物干燥12h，即得白色粉末状的SnO2/ZIF
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8复合气敏材料。2.根据权利要求1所述一种SnO2/ZIF
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8复合气敏材料的制备方法，其特征在于，所述纳米SnO2的制备方法为：将SnCl4·
5H2O、NaOH溶液、聚乙烯吡咯烷酮加入去离子水中，磁力搅拌至溶液澄清后，再移至反应釜中，200℃恒温水热反应24h，待其冷却得到沉淀物后，分别用去离子水、乙醇交叉洗涤3次后，300℃干燥2h，脱除乙醇、水分和未反应完全的聚乙烯吡咯烷酮，研磨粉碎后，得到白色粉末状产物，即为所述纳米SnO2，保存待用。3.根据权利要求2所述一种SnO2/ZIF
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8复合气敏材料的制备方法，其特征在于，所述S...

【专利技术属性】
技术研发人员：张现峰，吴中，李倩，邵兰芳，李昌城，程健健，
申请(专利权)人：蚌埠学院，
类型：发明
国别省市：