基于低配位Co3O4介孔纳米片组装分级微球敏感材料的三乙胺气体传感器及其制备方法技术

一种基于低配位Co3O4介孔纳米片组装分级微球敏感材料的三乙胺气体传感器及其制备方法，属于半导体氧化物气体传感器技术领域。传感器由外表面两侧带有一对平行环形金电极的Al2O3陶瓷管衬底、涂覆在Al2O3陶瓷管外表面和金电极上的敏感材料、置于Al2O3陶瓷管内部的镍铬金属加热线圈组成；敏感材料为低配位Co3O4介孔纳米片组装分级微球敏感材料，由介孔纳米片分等级组装而成。本发明专利技术利用介孔纳米片组装的结构优势，以及低配位Co3O4更高的催化活性有效提高了传感器对三乙胺气体的气敏特性，扩大了对三乙胺气体的检测范围和提高了灵敏度，且具有良好的选择性和较低的检测下限，在检测三乙胺气体方面有广阔的应用前景。在检测三乙胺气体方面有广阔的应用前景。在检测三乙胺气体方面有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于低配位Co3O4介孔纳米片组装分级微球敏感材料的三乙胺气体传感器及其制备方法


[0001]本专利技术属于半导体金属氧化物气体传感器
，具体涉及一种基于低配位Co3O4介孔纳米片组装分级微球敏感材料的三乙胺气体传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]三乙胺作为一种挥发性有机物，挥发出的气体无色且具有类似氨气味，常在有机合成工业中作为溶剂、催化剂、防腐剂等。三乙胺有腐蚀性，会刺激人的皮肤、呼吸系统、消化系统等。人若长时间暴露于高浓度三乙胺中，会造成咳嗽、肠胃炎，肺水肿等疾病，严重时甚至致人死亡。三乙胺还具有高度易燃易爆炸的特性，当和空气混合并暴露于火源时，可能会引起爆炸。根据美国职业安全与健康管理局的规定，空气中三乙胺的最大可接受浓度为10ppm。此外，死去的海洋生物也会释放三乙胺，且气体浓度随时间的推移而增加。因此，通过检测三乙胺浓度判断海产品的质量也是一种行之有效的方法。综上，找到一种恰当的方法检测三乙胺气体是非常必要的。
[0003]基于金属氧化物半导体的气体传感器由于其纯固态、占用空间小、费用低等特点吸引了广泛关注。Co3O4作为具有尖晶石结构的典型p型金属氧化物半导体，虽然与n型金属氧化物半导体相比，灵敏度较低，但是它具有Co
2+
和Co
3+
两种不同的活性位点，可以实现在低温下丰富的氧吸附，在降低气体检测工作温度和提高选择性方面表现出明显优势。同时，二维纳米片结构具有高比表面积和大量暴露于表面的可用于表面反应的高效活性位点，在气体传感领域表现出很大的发展潜力，因此可将二维Co3O4材料用于三乙胺气体检测。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于低配位Co3O4介孔纳米片组装分级微球敏感材料的三乙胺气体传感器及其制备方法。如图2(d～f)所示，分级微球是由二维介孔纳米片分等级组装而成的三维球形结构，其尺寸约为3μm。本专利技术所得到的传感器除了具有高灵敏度外，还具有较低的检测下限、较快的响应恢复速度和良好的选择性。
[0005]本专利技术所涉及的三乙胺传感器是以低配位Co3O4介孔纳米片组装的分级微球为敏感材料，一方面二维Co3O4介孔纳米片具有大比表面积和多的活性位点，有利于气体的接触和反应；另一方面纳米片的有序组装防止了面面堆叠，促进了气体扩散，降低了接触电阻；此外，材料比表面积、Co
2+
含量和氧空位的增加，增强了材料表面的催化活性和反应能力。这些方面的共同作用促进了敏感材料与三乙胺气体之间的反应效率，提升了材料灵敏度和选择性。本专利技术通过水热法，利用PVP K30作为结构导向剂和还原剂，在不同退火温度下制备了低配位Co3O4介孔纳米片组装的分级微球以改善材料的气敏性能。基于300℃退火得到的低配位介孔纳米片组装的Co3O4分级微球的化学电阻型气体传感器，在150℃的工作温度下，可以实现低至0.5ppm三乙胺气体的灵敏检测。
[0006]本专利技术所述的一种基于低配位Co3O4介孔纳米片组装分级微球敏感材料的三乙胺
气体传感器，如图1所示，由外表面两侧带有一对平行环形金电极并在每个金电极上连接两根铂丝导线的Al2O3陶瓷管衬底、涂覆在Al2O3陶瓷管外表面和金电极上的敏感材料、置于Al2O3陶瓷管内部的镍铬金属加热线圈组成；敏感材料为低配位Co3O4介孔纳米片组装分级微球敏感材料，且其由如下步骤得到：
[0007](1)将0.8g醋酸钴(C4H6CoO4·
4H2O)和0.3～0.5g PVP K30((C6H9NO)
n
)，加入到30～35mL乙二醇中，搅拌形成均匀溶液后继续搅拌2～5小时，然后将溶液在室温下静置老化20～30小时；
[0008](2)将步骤(1)老化后得到的均匀溶液加入聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，良好密封后在180～200℃下保持15～20小时；待高压釜自然冷却至室温后，离心收集沉淀，并用水和乙醇交替清洗沉淀5～8次，再将得到的产物在真空、70～90℃下干燥10～20小时得到固体粉末；
[0009](3)将步骤(2)得到的固体粉末在空气中300～400℃下煅烧1.5～3.0小时，升温速率1.5～3.0℃/min，从而得到本专利技术所述的低配位Co3O4介孔纳米片组装分级微球敏感材料。
[0010]本专利技术所述的一种基于低配位Co3O4介孔纳米片组装分级微球敏感材料的三乙胺气体传感器的制备方法，其步骤如下：
[0011](1)取10～20mg低配位Co3O4介孔纳米片组装分级微球敏感材料于玛瑙研钵中，滴入3～5滴乙醇，充分混合并研磨成浆糊状，之后蘸取适量浆料均匀地涂覆在Al2O3陶瓷管的外表面，形成15～30μm厚的敏感材料层，并使敏感材料完全覆盖陶瓷管外表面两侧的一对平行环形金电极；Al2O3陶瓷管的长度为4.0～4.5mm，内径和外径分别为0.8～1.0mm和1.2～1.5mm；单个环形金电极的宽度为0.4～0.5mm，两条金电极的间距为0.5～0.6mm；金电极上引出铂丝导线，其长度为4～6mm；
[0012](2)将步骤(1)得到的外表面涂覆有敏感材料的Al2O3陶瓷管在空气中于200～300℃下煅烧1.5～3.0小时提高敏感材料稳定性，升温速率3～6℃/min，待温度降到室温后，将电阻值为36～39Ω的镍铬合金加热线圈从陶瓷管内部穿过作为加热丝；最后将上述器件焊接在六角管座上，从而制备得到基于低配位Co3O4介孔纳米片组装分级微球敏感材料的旁热式三乙胺气体传感器。
[0013]本专利技术所述的基于低配位Co3O4介孔纳米片组装分级微球敏感材料的三乙胺气体传感器具有以下优点：
[0014](1)利用简单的溶剂热法制备出介孔纳米片组装的低配位Co3O4分级微球敏感材料，方法简单，成本低廉；
[0015](2)利用PVP K30作为结构导向剂和还原剂，将介孔Co3O4纳米片组装为低配位Co3O4分级微球，提高了对三乙胺气体的检测范围(0.5～100ppm)和灵敏度(34.1
‑
100ppm)，且具有良好的选择性和较低的检测下限。
[0016](3)使用市售的管式传感器，器件工艺简单，成本低，体积小，适于大批量生产。
附图说明
[0017]图1：本专利技术所述的基于低配位Co3O4介孔纳米片组装分级微球敏感材料的三乙胺旁热式气体传感器的结构示意图；
[0018]各部分名称：Al2O3陶瓷管1、铂丝导线2、金电极3、敏感材料4、镍铬合金加热线圈5。
[0019]图2：本专利技术中对比例1、对比例2、对比例3和实施例1、实施例2、对比例4制备的介孔纳米片Co3O4和低配位Co3O4介孔纳米片组装分级微球敏感材料的SEM形貌照片；介孔纳米片的尺寸在1.3～3.2μm，介孔纳米片组装分级微球敏感材料的尺寸约为3μm。
[0020]图3：本专利技术中对比例和实施例制备的Co3O4敏感材料的XRD图；全部敏感材料均属于典型的立方Co3O4相。
[0021]图4：对比例本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于低配位Co3O4介孔纳米片组装分级微球的三乙胺气体传感器，由外表面两侧带有一对平行环形金电极并在每个金电极上连接两根铂丝导线的Al2O3陶瓷管衬底、涂覆在Al2O3陶瓷管外表面和金电极上的敏感材料、置于Al2O3陶瓷管内部的镍铬金属加热线圈组成；其特征在于：敏感材料为低配位Co3O4介孔纳米片组装分级微球敏感材料，且其由如下步骤得到：(1)将0.8g醋酸钴和0.3～0.5g PVP K30，加入到30～35mL乙二醇中，搅拌形成均匀溶液后继续搅拌2～5小时，然后将溶液在室温下静置老化20～30小时；(2)将步骤(1)老化后得到的均匀溶液加入聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，良好密封后在180～200℃下保持15～20小时；待高压釜自然冷却至室温后，离心收集沉淀，并用水和乙醇交替清洗沉淀5～8次，再将得到的产物在真空、70～90℃下干燥10～20小时得到固体粉末；(3)将步骤(2)得到的固体粉末在空气中300～400℃下煅烧1.5～3.0小时，升温速率1.5～3.0℃/min，从而得到低配位Co3O4介孔纳米片组装分级微球敏感材料。2.如权利要求1所述的一种基于低配位Co3O4介孔纳米片组装分...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢革宇，孔德颢，高原，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：