基于核壳结构纳米纤维材料的乙醇气体传感器的制备方法技术

本发明专利技术涉及基于核壳结构纳米纤维材料的乙醇气体传感器的制备方法，本发明专利技术以聚乙烯吡咯烷酮PVP为载体，以N

【技术实现步骤摘要】
基于核壳结构纳米纤维材料的乙醇气体传感器的制备方法


[0001]本专利技术属于气体传感器制备领域，尤其是基于核壳结构纳米纤维材料的乙醇气体传感器的制备方法。

技术介绍

[0002]近几十年以来，科学技术的飞速发展为国家工业、高新技术和人民生活带来了巨大的改变，同时环境问题也日趋严重，易燃易爆有毒性气体遍及生产生活中的每个角落，汽车尾气、工业废气、天然气等为社会安全及人民健康带来了巨大的隐患。乙醇在常温常压下是一种易燃、易挥发的无色透明液体，在化工、医疗卫生、食品工业中都有广泛的用途，如制造醋酸、饮料、燃料和消毒剂等。乙醇蒸气与空气形成爆炸性混合物，其爆炸下限为3.3％，及时获知空气中乙醇气体的含量对避免爆炸事故非常重要。金属氧化物半导体(MOS)型气敏传感器由于其成本低、易制备、稳定性好等特点，在乙醇气体检测中具有重要的应用。
[0003]金属氧化物半导体(MOS)根据其载流子的不同可分为以自由电子导电为主的n型半导体和以空穴导电为主的p型半导体。二氧化锡(SnO2)与氧化锌(ZnO)是最常见的一类n型MOS气敏材料，它们对乙醇气体有着较好的响应。单一MOS材料的乙醇气体传感器具有工作温度高、灵敏度较低、选择性差等缺点，本专利技术从引入异质结、改善材料微观结构和掺杂贵金属等三方面MOS气敏材料进行改良，从而制备了工作温度较低、高灵敏度、高选择性的乙醇气体传感器。
[0004]第一，引入异质结。两种不同的半导体材料在接触时，由于两种材料功函数的不同，其费米能级会逐渐趋于平衡，此时的费米能级处于热平衡状态。由于费米能级发生变化，两种半导体材料在接触面形成空间电荷区，电子在两种材料之间发生转移进而形成内建电场，由于电场的存在，两种半导体的能带发生了弯曲。与单一材料相比，这些反应宏观上表现为对目标气体的响应更为灵敏。
[0005]第二，改善材料微观结构，进一步增强异质结的作用。虽然SnO2与ZnO两种材料复合形成的n
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n异质结对气敏性能有所改善，但由于两种材料都分布在表面同时参与气体吸附，费米能级更低的一方接收到了通过异质结传递过来的电子，其表面电子耗尽层降低，性能下降，再加上其占据了一部分另一种材料的表面分布位置，因此其性能改善有限。本专利技术采用核壳结构来进一步增强异质结的作用，将费米能级较低的n型半导体材料作为芯层，可以实现壳层材料电子的向内传递，此时的复合材料既实现了异质结的引入，也避免了被弱化的材料对气敏性能造成的影响。
[0006]通常，核壳材料的制备需要经多步合成，本专利技术采用同轴静电纺丝法，实现了核壳材料的一步合成。同轴静电纺丝法是基于静电纺丝针头改制而成的一种方法，同轴针头处由内外两种针头组成，内层针头对应核层溶液，外层针头对应壳层溶液。两种溶液在针头处汇合，但由于电场力的存在及聚合物溶液具有一定的粘度，溶液汇合时间较短，很难发生互溶。随后电场力将对壳层溶液进行拉伸，而芯层溶液由于层间摩擦力的作用而被壳层溶液包裹并带动着一起拉伸，进而形成核壳结构的纳米纤维。
[0007]第三，掺杂贵金属。利用贵金属进行催化化学反应是一种高效的、应用广泛的方法。由于贵金属的溢出效应及电子敏化效应，复合材料的气敏性能得到了有效提高。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出基于核壳结构纳米纤维材料的乙醇气体传感器的制备方法，为检测作业场所空气中乙醇气体浓度提供了一种切实可行的方法。
[0009]本专利技术解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
[0010]基于核壳结构纳米纤维材料的乙醇气体传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0011]步骤1、配置壳层溶液和芯层溶液；
[0012]步骤2、将步骤1配置的壳层溶液和芯层溶液加入到同轴静电纺丝装置，进行同轴静电纺丝，得到Zn@Pt
‑
Sn核壳结构的前驱体纳米纤维；
[0013]步骤3、将步骤2中Zn@Pt
‑
Sn核壳结构的前驱体纳米纤维进行煅烧，得到ZnO@Pt
‑
SnO2核壳结构纳米纤维；
[0014]步骤4、将步骤3的ZnO@Pt
‑
SnO2核壳结构纳米纤维加入乙醇，并涂抹在叉指电极上，待乙醇挥发后，得到乙醇气体传感器。
[0015]而且，所述步骤1中配置壳层溶液具体实现方法为：称量1.0g的SnCl2·
2H2O和1.5g的聚乙烯吡咯烷酮PVP置于烧杯中，加入8mL的N
‑
N二甲基甲酰胺DMF和2mL的无水乙醇并在50℃水浴环境下搅拌直至溶解，得到无色澄清透明的溶液A；将1g的H2PtCl6·
6H2O置于10mL的容量瓶中定容，溶剂为无水乙醇；按照Pt在SnO2中的比重分别计算对应H2PtCl6·
6H2O溶液所需的量，使用移液枪将所需的微量H2PtCl6·
6H2O溶液加入溶液A中，得到壳层溶液；
[0016]所述步骤1中配置芯层溶液具体实现方法为：称取0.8g的ZnAc2·
2H2O和1.0g的PVP置于烧杯中，加入8mL的DMF和2mL的无水乙醇并在50℃水浴环境下搅拌直至溶解，得到无色澄清透明的芯层溶液。
[0017]而且，所述壳层溶液与芯层溶液的的聚合物载体为聚乙烯吡咯烷酮PVP，溶剂为N
‑
N二甲基甲酰胺DMF与乙醇的混合溶液，其中DMF与乙醇的体积比为1:4；Pt的质量分数为0.3％。
[0018]而且，所述步骤2中同轴静电纺丝装置的外针头为金属针头，外针头的内直径为0.9mm，外针头的外直径为1.26mm，内针头为金属针头，内针头的内直径为0.26mm，内针头的外直径为0.51mm，微量注射泵的内外推进速率分别为0.4ml
·
h
‑1/0.6ml
·
h
‑1，纺丝距离为15cm。
[0019]而且，所述步骤2中进行同轴静电纺丝的环境温度为20
‑
25℃，环境湿度为35
‑
40％RH，纺丝电压为17kV。
[0020]而且，所述步骤3的煅烧的过程为：由室温升至600℃并保温3h，升温速率为1℃
·
min
‑1。
[0021]而且，所述步骤4的具体实现方法为：将步骤3中的ZnO@Pt
‑
SnO2核壳结构纳米纤维加入少量乙醇，形成糊状悬浊液，在叉指电极的表面均匀涂抹；待乙醇挥发后，样品粉末残留在叉指电极的表面，得到乙醇气体传感器。
[0022]本专利技术的优点和积极效果是：
[0023]1、本专利技术以聚乙烯吡咯烷酮PVP为载体，N
‑
N二甲基甲酰胺DMF与乙醇的混合溶液为溶剂，制备壳层溶液和芯层溶液；再同轴静电纺丝壳层溶液和芯层溶液，得到Zn@Pt
‑
Sn核壳结构的前驱体纳米纤维，接着将Zn@Pt
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Sn核壳结构的前驱体纳米纤维继续煅烧，冷却后得到ZnO@Pt
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于核壳结构纳米纤维材料的乙醇气体传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、配置壳层溶液和芯层溶液；步骤2、将步骤1配置的壳层溶液和芯层溶液加入到同轴静电纺丝装置，进行同轴静电纺丝，得到Zn@Pt
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Sn核壳结构的前驱体纳米纤维；步骤3、将步骤2中Zn@Pt
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Sn核壳结构的前驱体纳米纤维进行煅烧，得到ZnO@Pt
‑
SnO2核壳结构纳米纤维；步骤4、将步骤3的ZnO@Pt
‑
SnO2核壳结构纳米纤维加入乙醇，并涂抹在叉指电极上，待乙醇挥发后，得到乙醇气体传感器。2.根据权利要求1所述的基于核壳结构纳米纤维材料的乙醇气体传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤1中配置壳层溶液具体实现方法为：称量1.0g的SnCl2·
2H2O和1.5g的聚乙烯吡咯烷酮PVP置于烧杯中，加入8mL的N
‑
N二甲基甲酰胺DMF和2mL的无水乙醇并在50℃水浴环境下搅拌直至溶解，得到无色澄清透明的溶液A；将1g的H2PtCl6·
6H2O置于10mL的容量瓶中定容，溶剂为无水乙醇；按照Pt在SnO2中的比重分别计算对应H2PtCl6·
6H2O溶液所需的量，使用移液枪将所需的微量H2PtCl6·
6H2O溶液加入溶液A中，得到壳层溶液；所述步骤1中配置芯层溶液具体实现方法为：称取0.8g的ZnAc2·
2H2O和1.0g的PVP置于烧杯中，加入8mL的DMF和2mL的无水乙醇并在50℃水浴环境下搅拌直至溶解，得到无色澄清透明的芯层溶液。3.根据权利要求2所述的基于核壳结构纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志鹏，郭知明，姚尧，周海亮，
申请(专利权)人：天津市计量监督检测科学研究院，
类型：发明
国别省市：