一种高比表面积有序大介孔镓酸铜气敏材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高比表面积有序大介孔镓酸铜气敏材料及其制备方法。其特点是：所述材料是由镓酸铜螺旋纳米线立方周期性排列而成，其中纳米线的直径为3

【技术实现步骤摘要】
一种高比表面积有序大介孔镓酸铜气敏材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种高比表面积有序大介孔镓酸铜气敏材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]众所周知，丙酮是一种重要的有机溶剂，被广泛应用于医学、塑料、农药和涂料等行业。丙酮是一种具有微毒的气体，其沸点低，室温下极易挥发，从而对人体的呼吸道容易产生刺激，导致人体不适，出现头痛、恶心、呕吐等不良症状。此外，在生物医学领域，丙酮还是表征糖尿病的一种重要的生物标志物。健康人体呼出的气体中丙酮气体的浓度通常在0.3
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0.8ppm,而糖尿病患者呼出的气体中丙酮气体的浓度高于1.8ppm。因此，有必要开发一种具有高灵敏度、低检测极限、良好的选择性、较低的工作温度和稳定性的丙酮传感器。
[0003]目前对于丙酮气体的检测主要是利用质谱分析仪和气相色谱仪等,但这些检测设备存在成本高、体积大等缺陷。金属氧化物半导体材料由于其灵敏度高、低成本、体积小、易集成等优点可以制备便携式呼吸丙酮传感器。近些年来,国内外学者通过合成ZnO、SnO2等二元氧化合物半导体纳米结构,并在纳米结构中掺杂金属来提高对丙酮气体的气敏性能。如王惠生等人制备的氧等离子体处理ZnO纳米纤维材料对100ppm的丙酮气体测试的响应值为123，工作温度为275℃(王惠生,杜海英,王小风,王兢.氧等离子体处理ZnO纳米纤维材料的制备及其对丙酮气敏性能的研究[J].传感技术学报,2017,30(12):1800
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1807.)；Zhang等人制备的SnO2分层微纳米结构材料对50ppm的丙酮气体测试的平均响应值为15.7，工作温度为280℃。(Hai Yu et al.Fabricating pod
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like SnO 2hierarchical micro
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nanostructures for enhanced acetone gas detection[J].Materials Science in Semiconductor Processing,2021,121)；Cheng等人制备的SnO2/ZnSnO3双壳中空微球的高性能丙酮气体传感器对100ppm的丙酮气体测试的响应值为30，工作温度为290℃。(Cheng Pengfei et al.SnO2/ZnSnO3Double
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shelled Hollow Microspheres Based High
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performance Acetone Gas Sensor[J].Sensors andActuators B:Chemical,2020,:129212
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.)，因此开发新型的纳米材料对痕量丙酮气体的检测尤为重要。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的之一是为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种灵敏度高、检测下限低、工作温度较低的一种高比表面积有序大介孔镓酸铜气敏材料及其制备方法；
[0005]本专利技术的目的之二是提供一种上述镓酸铜气敏材料的制备方法。
[0006]一种高比表面积有序大介孔镓酸铜气敏材料，其特别之处在于：所述材料是由镓酸铜螺旋纳米线立方周期性排列而成，其中纳米线的直径为3
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5nm，所形成的介孔结构为10
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12nm的大介孔，比表面积为110
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150m2/g。
[0007]进一步的，所述材料的比表面积为150m2/g，孔体积为0.59m3/g，孔尺寸为11.6nm。
[0008]一种高比表面积有序大介孔镓酸铜气敏材料的制备方法，其特别之处在于，包括如下步骤：
[0009](a)将72g表面活性剂P123，2.6L去离子水以及120ml浓度为37wt％的盐酸充分混合，在水浴恒温35
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40℃下搅拌12h直到表面活性剂全部溶解并且分散均匀，然后加入72g正丁醇，搅拌2小时后，再加入154.8g正硅酸四乙酯TEOS，继续在前述的水浴恒温下搅拌24小时后转移到聚四氟乙烯瓶中，接着在40
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140℃鼓风干燥箱中水热反应24h，自然冷却后经抽滤，并用去离子水洗至为中性，转移至鼓风干燥箱70℃干燥12h，即得到含表面活性剂的介孔氧化硅；
[0010](b)将得到的含表面活性剂的介孔氧化硅在空气中550℃煅烧6h，除去表面活性剂后得到介孔氧化硅；
[0011](c)将0.1875g硝酸铜和0.6514g硝酸镓混合分散到25mL的离心管中，在100℃鼓风干燥箱中加热，待硝酸铜和硝酸镓混合物完全熔化为液体时加入2g步骤(b)得到的介孔氧化硅为硬模板，反复震荡离心管以使得硝酸盐溶液充分进入介孔氧化硅的孔道中，持续加热震荡后，在研钵里充分研磨，随后将样品转移至马弗炉中750℃煅烧1
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6h，控制煅烧升温速率为1
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3℃/min，得到镓酸铜/二氧化硅复合材料；
[0012](d)向得到的复合材料中加入0.5
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2M的NaOH溶液，搅拌后离心过滤以除去介孔氧化硅模板，再用去离子水、乙醇洗涤，在鼓风干燥箱内70℃烘干即可。
[0013]步骤(a)中控制水浴恒温为35℃或者40℃。
[0014]步骤(c)中将样品转移至马弗炉中750℃煅烧6h，控制煅烧升温速率为3℃/min。
[0015]步骤(c)中持续加热震荡具体是指加热震荡3次，每次震荡5分钟。
[0016]步骤(d)中向煅烧后的复合材料中加入0.5M的NaOH溶液200ml。
[0017]步骤(d)中搅拌时间为1小时，离心时间为2分钟，搅拌和离心过程重复两次，然后用去离子水洗涤3次，用无水乙醇洗涤2次。
[0018]本专利技术的尖晶石型(AB2O4)半导体材料镓酸铜具有高比表面积有序结构，对痕量丙酮气体检测还具有响应速度快，恢复时间短，工作温度低及气敏性能优异等特点。
[0019]本专利技术还具有以下的技术效果：
[0020]1、材料独特，本专利技术提供的一种高比表面积有序大介孔镓酸铜丙酮气敏材料可以在较低的工作温度下选择性的检测丙酮气体，灵敏度高,检测下限低。该丙酮敏感材料由镓酸铜螺旋纳米线立方周期性排列而成,纳米线的直径为约为5nm,可以通过调节介孔氧化硅模板的孔径来控制；比表面积最高可达150m2/g，高比表面积能够为丙酮气体响应提供更多的活性位点，从而提升灵敏度；11nm左右的均一大介孔有利于气体分子的传输，增强灵敏度,加快响应恢复速度。材料的比表面积以及介孔的尺寸可以通过调节介孔氧化硅的孔径来控制，相应的可改变其气敏性质。
[0021]2、以该材料制成的气体传感器，在最佳工作温度220℃时对1ppm丙酮的灵敏度(空气中气敏元件电阻的比值与被测气体中气敏元件电阻)可达6.1,检测下限低于2ppb(灵敏度可达1.28)。该气敏元件在相同工作温度下对1ppm的甲苯、苯、氨气、一氧化碳、二氧化氮的响应值均低于2.5，因此可以实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高比表面积有序大介孔镓酸铜气敏材料，其特征在于：所述材料是由镓酸铜螺旋纳米线立方周期性排列而成，其中纳米线的直径为3
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5nm，所形成的介孔结构为10
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12nm的大介孔，比表面积为110
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150m2/g。2.如权利要求1所述的一种高比表面积有序大介孔镓酸铜气敏材料，其特征在于：所述材料的比表面积为150m2/g，孔体积为0.59m3/g，孔尺寸为11.6nm。3.一种高比表面积有序大介孔镓酸铜气敏材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(a)将72g表面活性剂P123，2.6L去离子水以及120ml浓度为37wt％的盐酸充分混合，在水浴恒温35
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40℃下搅拌12h直到表面活性剂全部溶解并且分散均匀，然后加入72g正丁醇，搅拌2小时后，再加入154.8g正硅酸四乙酯TEOS，继续在前述的水浴恒温下搅拌24小时后转移到聚四氟乙烯瓶中，接着在40
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140℃鼓风干燥箱中水热反应24h，自然冷却后经抽滤，并用去离子水洗至为中性，转移至鼓风干燥箱70℃干燥12h，即得到含表面活性剂的介孔氧化硅；(b)将得到的含表面活性剂的介孔氧化硅在空气中550℃煅烧6h，除去表面活性剂后得到介孔氧化硅；(c)将0.1875g硝酸铜和0.6514g硝酸镓混合分散到25mL的离心管中，在100℃鼓风干燥箱中加热，待硝酸铜和硝酸镓混合物完全熔化为液体时...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖小勇，邵晨，杨晓梅，王晓中，郭茹，马金苗，
申请(专利权)人：宁夏大学，
类型：发明
国别省市：