一种CeO2复合TiO2氢敏材料及制备方法技术

本发明专利技术提供了一种CeO2复合TiO2氢敏材料及制备方法，属于气敏材料制备技术领域；本发明专利技术采用钛酸四丁酯和硝酸铈分别作为钛源和铈源。通过简单的一步水热反应和退火处理，得到CeO2/TiO2多面多孔三维结构。本发明专利技术制备的气敏材料中，5wt％CeO2的复合可以实现对气敏性能的最佳改性效果，其具有最大的响应值、相对较短的响应/恢复时间、良好的选择性与相对较好的稳定性。好的稳定性。好的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种CeO2复合TiO2氢敏材料及制备方法


[0001]本专利技术涉及氢敏传感材料的制备及应用领域，尤其涉及一种CeO2复合TiO2氢敏材料及制备方法。

技术介绍

[0002]在众多新能源中氢气(H2)因为其清洁无污染等特点而早被人们所关注。同时氢气也是重要的工业气体，其在冶金工业、精细有机合成、航空航天等现代化工业领域有着难以替换的地位。因为H2具有无色无味的物理性质，故而无法被人们肉眼直观所察觉，当H2在空气中存在的浓度>4％时，就会有产生爆炸的潜在风险，所以H2在储运和应用过程中存在难以忽视的安全隐患。因此，为了预防H2的泄露，开发一种室温下的氢气传感器来检测H2已经迫在眉睫。
[0003]在诸多传感器中，电阻型金属氧化物半导体氢气传感器(MOGS)现阶段已经被广泛研究，MOGS具有结构简洁、灵敏度高、成本低、使用寿命长等优点，具有良好的应用前景，以满足H2检测的实际要求。其响应原理则是通过金属半导体在空气中先和氧气接触，在表面形成氧物质，增大了传感器的基态电阻，然后随后H2与表面的氧物质反应，释放电子，又使得传感器的电阻下降。但是现有的在室温下对氢气检测的传感器里，半导体电阻型氢气传感器仍然存着响应不够灵敏、稳定性较差等不尽人意的缺点。因此实现室温下对H2的高效检测是一个需要着手的难题。
[0004]TiO2是一种n型半导体金属氧化物，TiO2制备工艺简单，具有良好的化学稳定性和生物相容性被广泛应用在光催化产氢，光催化还原，锂电池，气敏等领域。虽然基于TiO2金属半导体传感器已经得到了广泛的研究，但由于比表面积低，材料结构因素TiO2的原始传感器普遍存在对H2检测范围窄、响应低、气体选择性差等缺点，不足以用于实际氢气检测。为了在较低浓度和较低操作温度下检测气体，必须开发开发高效TiO2基气体传感器。被广泛认可的一个事实，在气敏检测中材料结构和材料一样起着至关重要的作用。有序介孔TiO2是良好的气敏材料，这种多孔结构有利于气体的扩散。
[0005]金属有机骨架(Metal
‑
organic frameworks,MOFs)是一种由有机和无机非金属组分组成的晶体多孔材料。由于其高比表面积，特殊的孔隙率和多样化结构而成为吸引人的纳米材料，目前已在催化，分离和吸附，气敏，生物传感和超级电容器等方面对MOFs的应用进行了探索。
[0006]MIL
‑
125有着巨大的比表面积和稳定的结构特征。因此，被认为是通过热解获得金属氧化物纳米结构的有吸引力的牺牲模板。
[0007]在本研究中，通过热溶剂法合成了MIL
‑
125，采用退火处理形成了多面多孔三维结构的TiO2。当将其用作气体传感器时，制备的TiO2在30摄氏度时对1000ppm H2的最大响应为9.2。TiO2纳米结构具有快速响应/恢复时间和高线性度，对H2气体有最好的选择性。因此，本专利技术中制得的多面多孔三维结构的TiO2有潜力成为优异的氢敏传感材料。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是对现有TiO2进行改性，TiO2与CeO2之间形成的n
‑
n异质结对氢气传感性能的提高起到了主要的作用。
[0009]本专利技术是通过以下技术手段来实现上述技术目的：
[0010](1)TiO2前驱体的制备：称量对苯二甲酸、无水甲醇、无水N，N二甲基甲酰胺(DMF)和钛酸四丁酯(Ti(OC4H9)4)放入烧杯中搅拌，使其混合均匀，将搅拌后的溶液转移到反应釜中进行水热反应。然后将产物冷却至室温，收集得到的白色沉淀，用无水甲醇多次洗涤，放入烘箱中干燥。
[0011](2)TiO2的制备：称量前置水热的白色粉末放入瓷舟中，将瓷舟置于马弗炉中，在空气气氛400℃煅烧10h，自然冷却后，收集得到TiO2白色粉末。
[0012](3)TiO2/CeO2前驱体的制备:同样的，称量对苯二甲酸、无水甲醇、无水N，N二甲基甲酰胺(DMF)、钛酸四丁酯(Ti(OC4H9)4)和六水合硝酸铈放入烧杯中搅拌，使其混合均匀，将搅拌后的溶液转移到反应釜中进行水热反应。然后将产物冷却至室温，收集得到的白色沉淀，用无水甲醇多次洗涤，放入烘箱中干燥，得到白色粉末。
[0013](4)TiO2/CeO2复合物的制备：称量前置水热的白色粉末放入瓷舟中，将瓷舟置于马弗炉中，在空气气氛400℃煅烧10h，自然冷却后，收集得到TiO2/CeO2复合物的黄色粉末。
[0014]进一步地，步骤(3)中，对苯二甲酸、无水甲醇、无水N，N二甲基甲酰胺(DMF)，钛酸四丁酯(Ti(OC4H9)4)的比例为3.15g：7ml：63ml：1.635g；白色粉末中，Ce
4+
/Ti
4+
的摩尔比分别为3/97、5/95、7/93。
[0015]该传感材料用于室温下氢气气敏传感中，具体传感响应测试如下：
[0016]取5mg制备好的黄色粉末样品用松油醇研磨，形成均匀的糊状物。然后用移液管将5μL得到的浆液涂在氧化铝基板(即pt涂层氧化铝电极)表面，形成薄层。为了提高传感层的稳定性，将电极片300℃退火2小时。得到测试电极。
[0017]本专利技术与市面上传统的金属氧化物半导体响应温度高或者室温响应需要贵金属掺杂的氢气传感材料相比，在降低了响应温度的同时，成本还很低廉，不需要贵金属的掺杂室温检测氢气；并且合成方法简单，仅通过水热和退火处理，合成的样品具有多孔多面的三维结构，比表面积很大，为气体的吸附提供了更多的活性位点。复合物形成的n
‑
n异质结进一步改善了形貌，并形成了大量的氧空位，降低了材料的响应温度的同时还提高了材料响应速度和响应值。材料的可重复性很好，室温下也很稳定，放置45天，响应值仅下降了2，并且对氢气具有很好的选择性。因此，本专利技术是一种很有潜力的室温氢气传感材料。
附图说明
[0018]图1为本专利技术中实施例2制备的TiO2纯相和实施例4制备的3％TiO2/CeO2、5％TiO2/CeO2、7％TiO2/CeO2复合物的XRD谱图。
[0019]图2为本专利技术中实施例4制备的5％TiO2/CeO2复合物SEM谱图；(a)低倍，(b)高倍。
[0020]图3为本专利技术中实施例4所制备的5％TiO2/CeO2复合物的XPS谱图；图3(a)可以看出Ce 3d
5/2
和Ce 3d
3/2
的结合能表明Ce离子的存在。图3(b)为Ti元素的峰，Ti 2p
3/2
峰的结合为458.1eV，其Ti 2p
1/2
峰的结合能为463.8eV。Ti 2p
3/2
峰均归属于Ti
4+
。图3(c)显示了晶格氧(O
L
，531.2eV)和吸附氧(O
V
，531.1eV)，表明复合物存在14.5％的氧空位.
[0021]图4为本专利技术中实施例2制备的TiO2纯相和实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种CeO2复合TiO2氢敏材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)TiO2/CeO2前驱体的制备:同样的，称量对苯二甲酸、无水甲醇、无水N，N二甲基甲酰胺、钛酸四丁酯和六水合硝酸铈放入烧杯中搅拌，使其混合均匀，将搅拌后的溶液转移到反应釜中进行水热反应，然后将产物冷却至室温，收集得到的白色沉淀，用无水甲醇多次洗涤，放入烘箱中干燥，得到白色粉末；(2)TiO2/CeO2复合物的制备：称量前置水热的白色粉末放入瓷舟中，将瓷舟置于马弗炉中，在空气气氛400℃煅烧10h，自然冷却后，收集得到TiO2/CeO2复合物的黄色粉末。2.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：李浩华，张林，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：