丙酮气敏材料和丙酮气体传感器的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种丙酮气敏材料的制备方法，包括以下步骤：S1：将钌源、锡源和高分子聚合物混合，然后加至溶剂中，进行超声处理和搅拌，得到前驱体溶液；S2：将步骤S1获得的前驱体溶液进行静电纺丝，得到含钌锡的纳米纤维材料；S3：对步骤S2获得的含钌锡的纳米纤维材料进行热处理，除去高分子聚合物，得到RuO2掺杂SnO2多孔纳米管的粉体，极好地改善材料对丙酮气体的选择性、灵敏度等气敏功能特性，并在一定程度上降低丙酮检测工作时的温度。定程度上降低丙酮检测工作时的温度。定程度上降低丙酮检测工作时的温度。

【技术实现步骤摘要】
丙酮气敏材料和丙酮气体传感器的制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及丙酮气体探测领域，尤其涉及一种丙酮气敏材料及其制备方法，还涉及一种丙酮气体传感器的制备方法及其以用。

技术介绍

[0002]丙酮是一种重要的广泛应用的工业原料，然而丙酮易燃、有毒，对人的中枢神经系统具有抑制和麻醉作用。高浓度吸收会对肾、肝以及胰腺造成严重伤害，有鉴于此，在污染事故、环境影响评价及设施验收等环境监测工作中，需对其的含量进行检测。在医学上，I型糖尿病患者会呼出一种特殊的挥发性有机化合物(VOCs)
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丙酮(CH3COCH3)气体分子。据报道，在I型糖尿病患者的呼出气中观察到高丙酮浓度超过百万分之1.8(ppm)，而健康人为0.3
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0.9ppm。因此，丙酮可作为生物标志物用于I型糖尿病的诊断。目前，传统的糖尿病患者的检测主要采用GC/GC
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MS气相色谱法、固相微萃取法等，相比以气体传感器作为检测单元的呼气分析，由于其具有非侵入性，实惠，快速和简便等优点，在个人医疗保健监测领域占有主要地位。作为气体传感器一个重要分支的半导体式气体传感器，由于其具有价格低、全固态、体积小、可集成化等优点而逐渐进入了人们的视野中，然而，为了通过呼吸分析准确诊断糖尿病，呼吸分析仪必须对低于ppm或甚至低于十亿分之一(ppb)级别痕量浓度的丙酮敏感，并且在非常潮湿(通常为90％相对湿度)的呼出气中对这些生物标志物具有选择性。因此，仍需进一步提高传感材料及器间对丙酮的灵敏度、选择性和稳定性。
[0003]基于金属氧化物半导体(MOS)的气体材料，例如ZnO，SnO2，In2O3，WO3等，在各种传感器的应用和研究最为广泛。其技术成熟、灵敏度高、稳定性好、能长期服役，实现快速、低成本检测，具有巨大应用前景。然而，目前关于SnO2基氧化物半导体的丙酮气敏材料的研究报道较少。文献“《Journal of Materials Science》50(2015)pp.2605
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2615”公开了一种将Pd负载在SnO2纳米纤维表面(Pd
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SnO2)的物理化学方法，并研究了Pd纳米颗粒负载在SnO2纳米纤维表面的气敏特征与物理机理。文献“《Advanced Functional Materials》419(2016)pp.1
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9”通过模板发合成了Pt负载在SnO2纳米管表面的(Pt
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SnO2)的物理化学方法，并研究了Pt纳米颗粒负载在SnO2纳米纤维表面的气敏特征与物理机理。因此，关于SnO2基纳米结构的气敏材料的制备方法亟待研究发展。
[0004]SnO2基纳米结构的气敏材料的制备方法主要有静电纺丝法、共沉淀法、溶胶
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凝胶法和模板法等，可以制备具有不同形貌的SnO2基纳米材料，例如纳米管和纳米纤维，多应用于检测还原性气体，如丙酮等。目前，人们主要通过调控SnO2基纳米材料的形态，例如纳米粒子，纳米棒，纳米管等，提高其气敏性能。然而，这类气敏材料在应用上也存在一些问题：其一、这类材料制备成的气敏元器件的工作温度普通过高，通常在400～600℃之间；其二、这类材料制备成的气敏元器件的选择性不够理想，也就是说，对多种常见VOCs和其它还原性气体均有广谱性响应。其三、这类材料制备成的气敏元器件的检测灵敏度还有待提高，一般只能检测到10ppm以上浓度水平的丙酮气体，极大限制了其在在医学上领域，如糖尿病患者检测的应用。以上三个问题构成丙酮气体传感器在环境监测、生物医疗、智能装备等诸多
特殊场景及领域的未来应用。因此，降低气体传感器的工作温度，提高选择性和检测灵敏度将具有重要意义。

技术实现思路

[0005]基于此，本专利技术目的在于克服现有技术的不足和缺陷，提供一种丙酮气敏材料的制备方法，通过RuO2掺杂复合SnO2，构建SnO2多孔纳米管SnO2，从而增加比表面积，提高气敏材料表面与测试目标气体丙酮的反应区域，进而改善其灵敏度和选择性，并一定程度降低工作温度。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方实现的：
[0007]一种丙酮气敏材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]S1：将钌源、锡源和高分子聚合物混合，然后加至溶剂中，进行超声处理分散和搅拌，得到前驱体溶液；
[0009]S2：将步骤S1获得的前驱体溶液，进行静电纺丝，得到含钌锡的纳米纤维材料；
[0010]S3：对步骤S2获得的含钌锡的纳米纤维材料进行热处理，除去高分子聚合物，得到RuO2掺杂的SnO2多孔纳米管的粉体。
[0011]相对于现有技术，本专利技术丙酮气敏材料的制备方法通过对SnO2掺杂RuO2，构建多孔纳米管结构的SnO2，使该气敏材料对空气中的低浓度丙酮气体具有高灵敏度、对常见的VOCs具有高选择性，并且能实现在较低温度工作。
[0012]进一步地，在步骤S1中，所述钌源为SnCl2·
2H2O，所述锡源为RuCl3·
3H2O，所述SnCl2·
2H2O中的SnCl2和所述RuCl3·
3H2O中的RuCl3的摩尔比为(20～100):1。SnCl2和RuCl3的摩尔比对SnO2掺杂RuO2终产物的气敏性起决定作用，二者配比为(20～100):1，可确保生成SnO2掺杂RuO2粉体的晶体尺寸维持在合适的范围内。晶体尺寸过大或过小，都会导致无法形成良好的纳米管状结构，最终使RuO2掺杂SnO2气敏材料无法获得良好的气敏特性。
[0013]进一步地，在步骤S1中，所述高分子聚合物为PVP(聚乙烯吡咯烷酮，MW＝1300000)；所述SnCl2·
2H2O与所述PVP的质量比为1:(2～3)。PVP的作用是：给前驱体溶液提供粘性，使其在静电纺丝过程中可以被拉伸成纤维；同时，为钌锡氯化物作为牺牲模板，在热处理过程中帮助SnO2掺杂RuO2形成纳米管状结构。因此，所述SnCl2·
2H2O与所述PVP的质量比过大或过小，都可能导致静电纺丝过程不成功，或者热处理后无法形成纳米管状结构。
[0014]进一步地，在步骤S1中，所述溶剂由乙醇和DMF(N,N
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二甲基甲酰胺)调剂而成，所述乙醇和所述DMF的体积比为(1～1.2):1。乙醇和DMF作为前驱体的溶剂，需要在静电纺丝过程中迅速挥发，使以PVP为主体的溶质拉伸成为纳米纤维。如果乙醇与DMF的配比过高，溶剂挥发速率会过快，使PVP为主体的溶质无法形成理想的材料形貌；如果乙醇与DMF的配比过低，溶剂挥发速率会过慢，使溶剂会溅射到样品接受装置上，溶解污染样品。
[0015]进一步地，在步骤S2中，所述静电纺丝过程中，注射器的针头为22G，所述针头正极与衬底间距为10～20cm，所述针头和所述衬底之间电压为12～18kV，进样流速为0.2～0.5ml/h，持续时间为2h。
[0016]静电纺丝所选用的针头尺寸和进样速度会影响针头处前驱体溶液液滴的尺寸，进而影响了静电纺本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种丙酮气敏材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：将钌源、锡源和高分子聚合物混合，然后加至溶剂中，进行超声处理和搅拌，得到前驱体溶液；S2：将步骤S1获得的前驱体溶液进行静电纺丝，得到含钌锡的纳米纤维材料；S3：对步骤S2获得的含钌锡的纳米纤维材料进行热处理，除去高分子聚合物，得到RuO2掺杂SnO2多孔纳米管的粉体。2.根据权利要求1所述的丙酮气敏材料的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述钌源为SnCl2·
2H2O，所述锡源为RuCl3·
3H2O，所述SnCl2·
2H2O中的SnCl2和所述RuCl3·
3H2O中的RuCl3的摩尔比为(20～100):1。3.根据权利要求2所述的丙酮气敏材料的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述高分子聚合物为PVP；所述SnCl2·
2H2O与所述PVP的质量比为1:(2～3)。4.根据权利要求1所述的丙酮气敏材料的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述溶剂由乙醇和DMF调剂而成，所述乙醇和所述DMF的体积比为(1～1.2):1。5.根据权利要求1～4任一所述的丙酮气敏材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：张爱华，李瑾，曾敏，陆旭兵，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：