一种三维SnO2/Co3O4核壳纳米复合材料及其制备的抗湿度丙酮气敏元件制造技术

本发明专利技术公开了一种三维SnO2/Co3O4核壳纳米复合材料及其制备的抗湿度丙酮气敏元件。该气敏材料以SnO2纳米纤维为骨架，通过简单共沉淀方法在其表面生长均匀的Co

【技术实现步骤摘要】
一种三维SnO2/Co3O4核壳纳米复合材料及其制备的抗湿度丙酮气敏元件


[0001]本专利技术属于半导体纳米材料
，涉及新型丙酮气体检测材料以及气敏元件，具体涉及三维SnO2/Co3O4核壳纳米复合材料及其制备的抗湿度丙酮气敏元件。

技术介绍

[0002]丙酮是一种无色透明的室温液体，是一种重要的有机合成材料和良好的溶剂，广泛应用于工业和实验室过程。但长期接触本品后，头晕、烧灼感、咽炎、支气管炎、疲劳、易怒等。长期反复皮肤接触可引起皮炎。同时，丙酮是人体脂肪代谢的副产物，容易通过血液进入肺部。在医学领域，丙酮是一种特殊的化合物，是检测糖尿病的生物标志物。根据临床试验，I型糖尿病患者呼出的丙酮浓度大于1.8ppm，而健康人呼出的丙酮浓度小于0.9ppm。然而，在过去由于没有专门用于呼出气检测的平台，绝大多数VOCs研究都是基于气相色谱
‑
质谱联用(GC
‑
MS)实验室通用平台进行，这种检测过程需要对样本进行吸附富集、热解析脱吸附、色谱分离和质谱定性定量检测等处理，不仅成本高，且单次样本检测时间长达2
‑
7小时、操作过程要求专业性强，使得其只能应用于科学研究，而无法在临床场景中产品化大规模推广。
[0003]基于金属氧化物半导体(MOS)传感材料的气体传感器因其方便、快速而被用于有毒气体的检测。其中SnO2、ZnO、WO3等常用作MOS气体传感器的材料。目前，丙酮气敏传感器得到一定发展，然而市场上丙酮气体传感器依旧存在许多不足，如气敏传感器对丙酮气体的灵敏度不够高、检测下限不够低、选择性比较差、工作温度过高以及稳定性较差，抗湿度性能较差等。尤其需要关注的是，这些材料在高湿度环境下对气体的响应值将大大降低，这限制了其在湿度环境中检测尤其是呼吸气体检测中的应用。因此，本专利技术开发一种成本低，灵敏度高，抗湿度性优异的丙酮气体传感器，有助于解决相关实际使用问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有的丙酮气敏传感器对丙酮气体的灵敏度不够高、检测下限不够低、选择性比较差、工作温度过高以及抗湿度较差的缺陷，提出一种用于丙酮气体检测的三维SnO2/Co3O4核壳纳米复合材料。
[0005]本专利技术提出一种三维SnO2/Co3O4核壳纳米复合材料，由SnO2纳米纤维为骨架和其表面组装生长的均匀Co3O4纳米片阵列组成。
[0006]进一步的，所述Co3O4纳米片阵列的高度有序，其纳米片大小为100～200nm，片层厚度为20～40nm；所述SnO2纳米纤维的直径为80～200nm；核壳复合材料外径为400～600nm。
[0007]本专利技术还提出一种三维SnO2/Co3O4核壳纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1：将锡源和有机溶剂按比例混合后置于磁力搅拌器上搅拌，待溶液呈澄清透明状后缓慢加入聚乙烯吡咯烷酮，并继续搅拌至其呈粘性透明状液体；再继续搅拌1～2h后收集反应产物至注射器内，并将上述注射器置于静电纺丝机中静电纺丝，经收集板收集得
到纺丝前驱体后进行煅烧，得SnO2纳米纤维；
[0009]步骤2：将二甲基咪唑和六水硝酸钴分别加入到去离子水中搅拌至完全溶解，在二甲基溶液中加入步骤所得的SnO2纳米纤维，再加入硝酸钴溶液搅拌4h；待反应结束，依次分别用去离子水和乙醇洗涤所得沉淀2～4次，再干燥，煅烧，即得。
[0010]进一步的，在步骤1中：所述静电纺丝工艺为：环境相对湿度为10％～50％，收集板与注射器针尖的电压为18～20kV、收集板与注射器针尖的距离为18～20cm；
[0011]所述纺丝前驱体的煅烧过程为：在升温速率为1～3℃/min升温至500～600℃后保温2～4h；
[0012]在步骤2中，所述沉淀的煅烧过程为：在升温速率为1～3℃/min升温至400～600℃后保温2～4h。
[0013]进一步的，在步骤1中：所述锡源溶液的浓度为0.15g/mL；所述锡源为SnCl2.2H2O；所述有机溶剂为乙醇与N，N
‑
二甲基甲酰胺体积比为4:5的混合物；
[0014]在步骤2中，所述二甲基咪唑溶液、六水硝酸钴溶液的浓度分别为0.0082g/mL，0.0036g/mL。
[0015]本专利技术还提出一种基于三维SnO2/Co3O4核壳纳米复合材料的抗湿度丙酮气敏元件，使用三维SnO2/Co3O4核壳纳米复合材料涂覆于电极表面，再依次焊接，老化，封装后制作得到半导体式气敏元件。
[0016]进一步的，所述半导体式气敏元件的技术指标包括：工作温度为70～140℃；元件对50ppm丙酮的检测灵敏度R
g
/R
a
约为11.4；响应时间为19s，恢复时间为43s；对50ppm丙酮的灵敏度高于50ppm乙醇、甲醇、氨气、甲苯、甲醛、一氧化氮、一氧化碳、硫化氢中任一种的灵敏度。
[0017]进一步的，当所述半导体式气敏元件应用于检测丙酮气体上时，检测丙酮气体的浓度下限为0.1ppm。
[0018]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0019]1、本专利技术采用静电纺丝结合共沉淀合成反应制得的三维SnO2/Co3O4核壳纳米复合材料，具有以SnO2纳米纤维为骨架、再经共沉淀法在其纤维表面生长均匀的Co3O4纳米片阵列而得的三维核壳纳米异质结结构，可以提高气敏材料的比表面积、构建三维分级核壳异质结构，提高材料中活性位点的数量从而增加气敏材料对于气体的吸附，有效提高其对丙酮气体的灵敏度和选择性，且上述材料制备工艺简单，成本低。
[0020]2、本专利技术制备的气敏原件对丙酮气体灵敏度高，对干扰气体选择性好、稳定性好，检测下限低，抗湿度性好，检测丙酮气体的浓度下限为0.125ppm。
附图说明
[0021]图1为实施例1中三维SnO2/Co3O4核壳纳米复合材料的X射线衍射图。
[0022]图2为实施例1中三维SnO2/Co3O4核壳纳米复合材料的SEM图。
[0023]图3为实施例1中三维SnO2/Co3O4核壳纳米复合材料的TEM图。
[0024]图4为实施例1中气敏原件对50ppm丙酮在不同温度下的响应图。
[0025]图5为实施例1中气敏原件对八种不同50ppm气体的选择性图。
[0026]图6为实施例1中气敏原件对不同浓度丙酮的连续响应恢复曲线(0.125～
100ppm)。
[0027]图7为实施例1中气敏原件对不同湿度下50ppm丙酮的响应。
具体实施方式
[0028]以下用实例对本专利技术作进一步说明，但不限于此。
[0029]实施例1
[0030]制备三维SnO2/Co3O4核壳纳米复合材料，其具体步骤如下：
[0031](1)以SnCl2·
2H2O为原料，取2.8g SnCl2·
2H2O溶于含有10mL DMF和8mL乙醇混合溶液的烧杯中，加入磁子并置于磁力搅拌本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维SnO2/Co3O4核壳纳米复合材料，其特征在于，由SnO2纳米纤维为骨架和其表面组装生长的均匀Co3O4纳米片阵列组成。2.根据权利要求1所述的三维SnO2/Co3O4核壳纳米复合材料，其特征在于，所述Co3O4纳米片阵列的高度有序，其纳米片大小为100～200nm，片层厚度为20～40nm；所述SnO2纳米纤维的直径为80～200nm；核壳复合材料外径为400～600nm。3.一种三维SnO2/Co3O4核壳纳米复合材料的制备方法，制备如权利要求1和2中任意一项所述的三维SnO2/Co3O4核壳纳米复合材料，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将锡源和有机溶剂按比例混合后置于磁力搅拌器上搅拌，待溶液呈澄清透明状后缓慢加入聚乙烯吡咯烷酮，并继续搅拌至其呈粘性透明状液体；再继续搅拌1～2h后收集反应产物至注射器内，并将上述注射器置于静电纺丝机中静电纺丝，经收集板收集得到纺丝前驱体后进行煅烧，得SnO2纳米纤维；步骤2：将二甲基咪唑和六水硝酸钴分别加入到去离子水中搅拌至完全溶解，在二甲基溶液中加入步骤所得的SnO2纳米纤维，再加入硝酸钴溶液搅拌4h；待反应结束，依次分别用去离子水和乙醇洗涤所得沉淀2～4次，再干燥，煅烧，即得。4.根据权利要求3所述的三维SnO2/Co3O4核壳纳米复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤1中：所述静电纺丝工艺为：环境相对湿度为10％～50％，收集板与注射器针尖的电压为18～20kV、收集板与注射器针尖的距离为18～20cm；所述纺丝前驱体的煅烧过程为：在升温速率为1～3℃/min升温至500～600...

【专利技术属性】
技术研发人员：王丁，王峰，李慧珺，李贵生，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：