以氮气烧结Ni-MOF为敏感电极的混成电位型室温NO2传感器、制备方法及其应用技术

一种以氮气烧结Ni

【技术实现步骤摘要】
以氮气烧结Ni
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MOF为敏感电极的混成电位型室温NO2传感器、制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于气体传感器
，具体涉及一种以氮气烧结Ni
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MOF为敏感电极的K2Fe4O7基混成电位型室温NO2传感器、制备方法及其应用，其主要用于大气环境中ppb级NO2的室温灵敏检测。

技术介绍

[0002]NO2作为主要的大气污染物之一，是造成腐蚀性酸雨、光化学烟雾等环境安全事故的主要因素，严重破坏生态系统与大气环境，对环境安全构成持续威胁；此外，NO2还会刺激呼吸系统，吸入后对人体肺部组织有强烈的刺激性和腐蚀性，因而会导致人感染一些呼吸道疾病，如：支气管炎、肺水肿和哮喘等，严重时甚至会导致心脏骤停，对于儿童和老人等抵抗力低的人群，其危害更为严重。因此，检测NO2对于抑制空气污染、避免中毒具有重要意义。在众多气体传感器中，固体电解质混成电位型传感器具有成本低、响应恢复时间快、全固态结构、安全、小型化等特点，在NO2检测中具有重要的应用。然而，目前大多数固体电解质混成电位型传感器需要在高温下工作才能获得高灵敏度，这将导致额外的能耗并对电路设计提出更高的要求。并且现有的混成电位型固体电解质NO2传感器的检测下限较高，高于环境空气质量标准所要求的日平均限值42ppb。因此，迫切需要一种可以在室温下工作的固体电解质混成电位型NO2传感器用于超低浓度的 NO2检测。因此，我们提出了一种基于新型K2Fe4O7固体电解质、氮气烧结 Ni
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MOF敏感电极的混成电位型室温NO2传感器，在室温条件下即可实现对ppb 级NO2的高灵敏检测。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种以氮气烧结Ni
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MOF为敏感电极的K2Fe4O7基混成电位型室温NO2传感器及其制备方法，以开发能够在室温工作的混成电位型固体电解质NO2传感器，促进这种传感器在大气环境检测领域的实用化。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、良好的湿度稳定性、选择性和长期稳定性。
[0004]本专利技术所涉及的NO2传感器是以K2Fe4O7固体电解质和对NO2具有优异电催化活性的氮气烧结Ni
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MOF为敏感电极制作的新型室温NO2传感器，K2Fe4O7作为离子导电层，氮气烧结Ni
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MOF作为敏感电极材料。通过改变基板种类来增大基底材料在室温环境的离子电导率，实现混成电位型固体电解质气体传感器在室温环境检测NO2的目的。同时通过N2烧结实现Ni
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MOF敏感电极材料的部分热解，构建电催化活性更强的敏感电极氮气烧结Ni
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MOF，从而构筑室温下高灵敏的混成电位固体电解质型NO2传感器。
[0005]本专利技术所述的一种以氮气烧结Ni
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MOF为敏感电极的K2Fe4O7基混成电位型室温NO2传感器，如图1所示，由固体电解质K2Fe4O7基板、氮气烧结Ni
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MOF 敏感电极和Au参考电极所构成；敏感电极和参考电极为对称的条状结构，彼此分立地制备在K2Fe4O7基板上表面的两
端，在敏感电极和参考电极上引出Pt丝作为电极引线；K2Fe4O7固体电解质和氮气烧结Ni
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MOF敏感电极材料由如下方法制备得到：
[0006]K2Fe4O7基板的制备：在室温下将3～5g Fe(NO3)3·
9H2O加入到30～34mL 蒸馏水中，在持续搅拌下逐渐加入64～70g KOH；然后，将所得混合物转移到耐高温、耐高压的不锈钢反应釜中，在220～260℃下反应44～50h；反应完成后，将所得沉淀用蒸馏水洗涤，并在60～80℃下干燥，得到的K2Fe4O7块状材料；将K2Fe4O7块状材料进行研磨，得到K2Fe4O7超细粉末，再将超细粉末通过压片机压制成直径10～15mm的圆形K2Fe4O7基板，并切割成具有一定长、宽、高度的K2Fe4O7基板；
[0007]氮气烧结Ni
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MOF敏感电极材料的制备：称取0.3～0.4g Ni(OAc)2·
4H2O分散到28～32mL去离子水中，将0.1～0.2g对苯二甲酸加入到28～32mL N,N
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二甲基乙酰胺中；将上述两种溶液混合均匀后转移到不锈钢反应釜中，在140～160℃反应2～4h；待冷却至室温后，将产物用去离子水和乙醇交替离心清洗；最后在50～70℃下干燥，从而得到Ni
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MOF敏感电极材料；将得到的Ni
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MOF 敏感电极材料在氮气中于340～360℃下烧结0.5～2h，得到部分热解的氮气烧结 Ni
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MOF敏感电极材料粉末。
[0008]本专利技术所述的NO2传感器的制备步骤如下：
[0009](1)制作Au参考电极：在K2Fe4O7基板上表面的一端使用Au浆刷涂15～30 μm厚的条状Au参考电极，同时将一根Pt丝对折后粘在参考电极的中间位置作为参考电极引线，再将另一根Pt丝对折后用Au浆粘在K2Fe4O7基板上表面与参考电极对称的另一端的中间位置作为敏感电极引线；然后将K2Fe4O7基板放置在红外灯下烘烤0.5～2小时，再在600～800℃下烧结0.2～1小时，去除Au浆中的松油醇，最后降至室温；
[0010](2)制作氮气烧结Ni
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MOF敏感电极：将氮气烧结Ni
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MOF敏感电极材料粉末和去离子水超声混合形成氮气烧结Ni
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MOF浆料，氮气烧结Ni
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MOF敏感电极材料的浓度为40～60mg/mL；蘸取氮气烧结Ni
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MOF浆料刷涂在K2Fe4O7基板上与参考电极对称的另一端，并覆盖敏感电极引线，制备15～30μm厚的条状敏感电极；
[0011](3)将上述制备有参考电极和敏感电极的K2Fe4O7基板在20～40℃烘干 20～30h；
[0012](4)将烘干好的器件进行焊接、封装，从而制作得到本专利技术所述的以氮气烧结Ni
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MOF为敏感电极的K2Fe4O7基混成电位型NO2传感器。
[0013]本专利技术中采用新型K2Fe4O7固体电解质作为传感器的离子传输层，并使用氮气烧结Ni
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MOF作为敏感电极，其中Ni
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MOF经过在贫氧气体N2中部分热解后得到的氮气烧结Ni
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MOF保留了Ni
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MOF主要多孔骨架结构，可以实现有效的 NO2扩散。同时在氮气中的部分热解，Ni
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MOF部分位点的氧受热脱附变成氧空位，并生成了不饱和配位的Ni离子，这有助于增强敏感电极对NO2的吸附和电催化活性，有利于室温下高灵敏NO2传感器的构建。本专利技术通过对固体电解质和敏感电极材料的创新，实现混成电位型固体电解质NO2传感器在室温领域的突破及室温下高灵敏的NO2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种以氮气烧结Ni
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MOF为敏感电极的K2Fe4O7基混成电位型室温NO2传感器，其特征在于：由固体电解质K2Fe4O7基板、氮气烧结Ni
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MOF敏感电极和Au参考电极所构成；敏感电极和参考电极为对称的条状结构，彼此分立地制备在K2Fe4O7基板上表面的两端，在敏感电极和参考电极上引出Pt丝作为电极引线；其中，K2Fe4O7固体电解质和氮气烧结Ni
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MOF敏感电极材料由如下方法制备得到，K2Fe4O7基板的制备：在室温下将3～5g Fe(NO3)3·
9H2O加入到30～34mL蒸馏水中，在持续搅拌下逐渐加入64～70g KOH；然后，将所得混合物转移到不锈钢反应釜中，在220～260℃下反应44～50h；反应完成后，将所得沉淀用蒸馏水洗涤，并在60～80℃下干燥，得到的K2Fe4O7块状材料；将K2Fe4O7块状材料进行研磨，得到K2Fe4O7超细粉末，再将超细粉末通过压片机压制成直径10～15mm的圆形K2Fe4O7基板，并切割成具有一定长、宽、高度的K2Fe4O7基板；氮气烧结Ni
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MOF敏感电极材料的制备：称取0.3～0.4g Ni(OAc)2·
4H2O分散到28～32mL去离子水中，将0.1～0.2g对苯二甲酸加入到28～32mL N,N
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二甲基乙酰胺中；将上述两种溶液混合均匀后转移到不锈钢反应釜中，在140～160℃反应2～4h；待冷却至室温后，将产物用去离子水和乙醇交替离心清洗；最后在50～70℃下干燥，得到Ni
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MOF敏感电极材料；将得到的Ni
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MOF敏感电极材料在氮气中于340～36...

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