基于PdRu双金属纳米颗粒修饰SnO2纳米粒子团簇的三甲胺气体传感器及其制备方法技术

一种基于PdRu双金属纳米颗粒修饰SnO2纳米粒子团簇的三甲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。是由外表面带有两条金电极的Al2O3绝缘陶瓷管、涂敷在金电极和Al2O3绝缘陶瓷管外表面上的气敏材料、以及穿过Al2O3绝缘陶瓷管的镍铬合金线圈组成，气敏材料为PdRu双金属纳米颗粒修饰的SnO2纳米粒子团簇。本发明专利技术通过双金属PdRu对N型金属氧化物半导体SnO2进行修饰改性，利用PdRu双金属纳米颗粒优异的催化性能促进反应物吸附和电子转移过程，改善了SnO2的选择性，并且实现了对三甲胺的高灵敏度特异性检测。本发明专利技术制作工艺简单、成本低廉、能够满足大批量生产、商业化的需求。商业化的需求。商业化的需求。

【技术实现步骤摘要】
基于PdRu双金属纳米颗粒修饰SnO2纳米粒子团簇的三甲胺气体传感器及其制备方法


[0001]本专利技术属于氧化物半导体气体传感器
，具体涉及一种基于PdRu双金属纳米颗粒修饰SnO2纳米粒子团簇的三甲胺气体传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]三甲胺(TMA)是最重要的有机胺之一，是动植物残体的天然降解产物，具有刺激性气味。据报道，在鱼类和贝壳死亡后的腐烂过程中，TMA将会被释放，且该气体的浓度会随着海产的新鲜度下降而逐渐递增。此外，已有研究表明过度的暴露于三甲胺蒸汽环境中会对人体呼吸系统造成不可逆转的伤害。美国国家职业安全与健康研究所确定了人体在TMA环境中的最大暴露水平为10ppm，10 小时。因此，研究高选择性和灵敏度的三甲胺气体传感器具有重要意义。
[0003]近年来，金属氧化物半导体气体传感器得益于其对目标气体的动态响应好，灵敏度优良，小型化且易集成的优点尤其引人注目，目前该类型的传感器已具有相当不小的规模。在金属氧化物半导体上修饰贵金属(Au、Pt、Pd等)是一种较为常见和热门的手段，已被证明可以有效的降低工作温度、改善气体响应并增加选择性。然而，贵金属储量稀缺且价格昂贵，限制了其大规模商业应用。双金属纳米颗粒具有独特的协同效应，较单金属对应物有更加卓越的物化性能，有望在替代单一的贵金属和提高催化活性等方面施展才能。虽然目前，双金属纳米颗粒在电化学催化氧化等领域应用已非常广泛，但在气体传感器领域中的应用仍有待探究和进一步完善。
[0004]SnO2是金属氧化物半导体材料中的重要成员，得益于其极高的电子迁移率、宽禁带、高灵敏度、高电导率和较强的稳定性，被视为是气敏应用中首要考虑材料之一。但使用纯SnO2作为气敏层也存在着诸多的缺点，例如选择性较低、重复性和长期稳定性还需提升。经过综合考虑，我们利用双金属纳米颗粒在SnO2纳米粒子团簇上进行表面修饰以增强其特异性检测能力，制备出性能优异的气体传感器。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基于PdRu双金属纳米颗粒修饰SnO2纳米粒子团簇的三甲胺气体传感器及其制备方法。
[0006]本专利技术在传统的金属氧化物表面半导体(SnO2纳米粒子团簇)上进行了PdRu 双金属的修饰改性，本专利技术所述的一种基于PdRu双金属纳米颗粒修饰SnO2纳米粒子团簇的三甲胺气体传感器，是由外表面带有两条平行、环状且彼此分立的金电极的Al2O3绝缘陶瓷管、涂敷在金电极和Al2O3绝缘陶瓷管外表面上的气敏材料、以及穿过Al2O3绝缘陶瓷管的镍铬合金线圈组成，其特征在于：气敏材料为PdRu双金属纳米颗粒修饰的SnO2纳米粒子团簇，其是由以下步骤制备得到：
[0007](1)将0.81g五水氯化锡(SnCl4·
5H2O)和0.6g尿素(CH4N2O)溶解在 20～40mL去离
子水中，在室温下搅拌15～30分钟；将得到的混合溶液转移到聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，在150～180℃条件下加热10～15小时，取出后自然冷却至室温，再在12000～18000rpm下离心8～15分钟，沉淀产物用去离子水和无水乙醇洗涤3～5次；将得到的透明凝胶状产品在70～90℃下干燥过夜，干燥后粉末产物在500～700℃下煅烧1.5～3.0小时，得到SnO2纳米粒子团簇；
[0008](2)将444mg聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶解在80～150mL二缩三乙二醇 (C6H
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O4)中，在磁力搅拌的条件下，油浴将该溶液加热至180～220℃；再将 147.3mg Na2[PdCl4]和131.1mg RuCl3·
xH2O均匀加入到30～50mL去离子水中，搅拌均匀之后，缓缓倒入PVP与C6H
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O4的混合溶液中，并保持该溶液的温度始终为180～220℃；最后自然冷却至室温，加入丙酮与乙醇以沉淀金属纳米粒子，并用无水乙醇离心洗涤3～5次，去除沉淀表面未结合的PVP以及剩余的C6H
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O4，得到PdRu双金属产物，再分散在乙醇溶液中，得到PdRu双金属乙醇分散液，分散液中PdRu双金属的浓度是2mg
·
mL
‑1；
[0009](3)将100mg步骤(1)所得SnO2纳米团簇溶解在2～5mL无水乙醇中，剧烈搅拌使其分散均匀，然后逐滴加入0.5～1.5mL步骤(2)所得的PdRu双金属乙醇分散液，剧烈搅拌后再超声，使混合均匀；
[0010](4)将步骤(3)所得混合溶液在70～90℃条件下干燥过夜，之后将所得粉末以3～6℃/min的加热速率升温到400～500℃，退火3～5小时，从而得到PdRu 双金属纳米颗粒修饰的SnO2纳米粒子团簇气敏材料。
[0011]本专利技术制备得到的PdRu双金属纳米颗粒修饰SnO2纳米粒子团簇气敏材料，其中SnO2的形貌为纳米粒子团簇，SnO2颗粒的大小在20nm和30nm之间，经过8nm左右的PdRu双金属纳米颗粒的修饰后，SnO2材料表面空隙增多，使其具有较大的比表面积；PdRu的修饰同样增加了材料表面的活性位点，提升了材料表面吸附氧从氧分子向氧离子转化的效率，利于还原性气体的吸附与反应的同时使SnO2材料表面耗尽层厚度加宽；PdRu双金属与SnO2之间存在的费米能级差也导致了两者之间的电荷传输，从而进一步影响材料的电导率以及气敏性能。
[0012]本专利技术所述的基于PdRu双金属纳米颗粒修饰SnO2纳米粒子团簇的三甲胺气体传感器的制备方法，其步骤如下：
[0013](1)取2～4mg PdRu双金属纳米颗粒修饰SnO2纳米粒子团簇气敏材料，与 0.3～0.7mL乙醇溶液充分混合，均匀地涂覆在外表面带有两条平行、环状且彼此分立金电极的Al2O3绝缘陶瓷管上，使气敏材料完全覆盖金电极，然后在红外烤灯下烘干；Al2O3绝缘陶瓷管的长度为3～5mm、外径和内径分别为1.1～1.3mm 和0.7～0.9mm；
[0014](2)待Al2O3绝缘陶瓷管外表面的气敏材料干燥后，将Al2O3绝缘陶瓷管在 400～500℃退火1.5～3.0小时，取出后自然冷却至室温；
[0015](3)将镍铬合金线圈穿入Al2O3绝缘陶瓷管的中空部分，将金电极、镍铬合金线圈用铂丝焊接到六角形底座上；
[0016](4)将步骤(3)得到的器件在150～400℃空气环境中老化5～7天，从而得到基于PdRu双金属纳米颗粒修饰SnO2纳米粒子团簇的三甲胺气体传感器。
[0017]本专利技术制备的基于PdRu双金属纳米颗粒修饰SnO2纳米粒子团簇的三甲胺气体传感器具有以下优点：
[0018]1、本专利技术利用传统的水热法制备了SnO2纳米粒子团簇，在多元醇的辅助下制备了直径约在8nm且均匀分散的PdRu双金属纳米颗粒，通过担载法成功的将 PdRu双金属纳米颗粒修饰在SnO2纳米粒子团簇表面上，通过双金属PdRu对N 型金属氧化物半导体SnO2进行修饰改性，利用PdRu双金属纳米颗粒优异的催化性能促进反应物吸附本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于PdRu双金属纳米颗粒修饰SnO2纳米粒子团簇的三甲胺气体传感器，由外表面带有两条平行、环状且彼此分立的金电极的Al2O3绝缘陶瓷管、涂敷在金电极和Al2O3绝缘陶瓷管外表面上的气敏材料、以及穿过Al2O3绝缘陶瓷管的镍铬合金线圈组成，其特征在于：气敏材料为PdRu双金属纳米颗粒修饰的SnO2纳米粒子团簇，其是由以下步骤制备得到，(1)将0.81g五水氯化锡和0.6g尿素溶解在20～40mL去离子水中，在室温下搅拌15～30分钟；将得到的混合溶液转移到聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，在150～180℃条件下加热10～15小时，取出后自然冷却至室温，再在12000～18000rpm下离心8～15分钟，沉淀产物用去离子水和无水乙醇洗涤3～5次；将得到的透明凝胶状产品在70～90℃下干燥过夜，干燥后粉末产物在500～700℃下煅烧1.5～3.0小时，得到SnO2纳米粒子团簇；(2)将444mg聚乙烯吡咯烷酮溶解在80～150mL二缩三乙二醇中，在磁力搅拌的条件下，油浴将该溶液加热至180～220℃；再将147.3mg Na2[PdCl4]和131.1mg RuCl3·
xH2O均匀加入到30～50mL去离子水中，搅拌均匀之后，缓缓倒入PVP与C6H
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O4的混合溶液中，并保持该溶液的温度始终为180～220℃；最后自然冷却至室温，加入丙酮与乙醇以沉淀金属纳米粒子，并用无水乙醇离心洗涤3～5次，去除沉淀表面未结合的PVP以及剩余的C6H
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O4，得到PdRu双金属产物，再分散在乙醇溶液中，得到PdRu双金属乙醇分散液，分散液中PdRu双金属的浓...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘凤敏，王晨畅，王艺霖，卢革宇，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：