一种基于SnO2@MoS2纳米复合材料的气敏元件及制备方法技术

本发明专利技术属于半导体纳米材料技术领域，具体公开了一种基于分级三维SnO2@MoS2纳米复合材料的二甲苯气敏材料及气敏元件制作方法。该气敏材料以SnO2纳米纤维为骨架，通过简单水热方法在其表面生长均匀的MoS2纳米片，然后经过热处理获得三维分级SnO2@MoS2纳米复合材料；将所得分级SnO2@MoS2纳米复合材料与无水乙醇以4：1的比例混合搅拌成糊状，均匀涂敷在陶瓷管电极表面，内部添加电热丝，按照半导体气敏元件进行焊接、老化、封装，制备出二甲苯气敏元件。该气敏元件在二甲苯气体检测方面具有抗湿度干扰能力强、灵敏度高、对目标气体选择性好、稳定性好等特点，可用于环境中二甲苯气体的检测。测。测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于SnO2@MoS2纳米复合材料的气敏元件及制备方法


[0001]本专利技术属于半导体纳米材料
，涉及新型二甲苯气体检测材料以及气敏元件，具体涉及用于二甲苯气体检测的分级三维SnO2@MoS2纳米复合气敏材料及由其制备的气敏元件。

技术介绍

[0002]二甲苯作为一种挥发性有机化合物，对人体非常有害。它会刺激人造眼睛和上呼吸道，慢性中毒会导致神经衰弱综合症。在实际应用中，传感器的检测极限(LOD)和灵敏度在检测有毒有害气体中起着至关重要的作用。尽管人的嗅觉系统可以检测到恶臭气体，但在某些情况下，这些气体或VOC的浓度过低，人的鼻子无法感觉到。因此，有必要开发检测微量有毒气体的设备。半导体气体传感器很好的弥补了传感器领域存在的这些缺点，同时，半导体纳米材料中电子和空穴的运动也受到材料尺寸和几何形状的影响。一些金属氧化物半导体及其衍生的复合结构(如Co3O4，CuO，NiO，WO3，ZnO，MoO3)已用于二甲苯气体传感。
[0003]SnO2作为一种具有宽禁带宽度的N型敏感材料，因其具有高灵敏度已被广泛应用于气体传感器领域。MoS2作为一种新型的二维半导体材料，具有固有的带隙和稳定的能带结构等优点。据报道，许多基于MoS2的分层异质结构可用于气体传感增强、光催化、能量存储和超级电容器等。基于SnO2和MoS2的分级结构也有所报道，但目前还没有看到基于这种分级结构用于二甲苯检测的研究。因此，本专利技术开发一种成本低，灵敏度高，抗湿度性优异的二甲苯气体传感器，有助于解决相关实际使用问题。
专利技术内容
[0004]本专利技术解决的技术问题是针对现有的二甲苯气敏传感器对二甲苯气体的灵敏度不够高、检测下限不够低、选择性比较差、工作温度过高等缺陷；
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]本专利技术第一个方面公开了一种三维分级SnO2@MoS2纳米复合材料，所述复合材料由SnO2纳米纤维为骨架和其表面组装生长的均匀MoS2纳米片阵列组成。
[0007]优选地，所述SnO2纳米纤维的形貌均一，且表面粗糙，直径为210
‑
230nm；所述MoS2纳米片会自组装形成花朵形状，阵列的高度有序，其片层厚度为140
‑
150nm；所述SnO2@MoS2复合材料的外径为240
‑
260nm。
[0008]本专利技术第二个方面公开了上述SnO2@MoS2纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009]S1：在800
‑
1000rpm搅拌下，将1.2gPVP缓慢加入到装有8mL乙醇的烧杯中，搅拌均匀得到溶液1；同时在800
‑
1000rpm搅拌下将0.15g/mLSnCl2·
2H2O加入N,N
‑
二甲基甲酰胺中，搅拌均匀得到溶液2，将溶液1和溶液2混合并磁力搅拌形成均匀的粘性透明溶液；将粘性透明溶液经静电纺丝后收集得到纺丝前驱体，对纺丝前驱体进行煅烧后得SnO2纳米纤维；
[0010]S2：将0.2mmol(NH4)6Mo7O
24
·
4H2O和6.1mmolCH4N2S在剧烈搅拌下溶解在装有40mL去离子水的烧杯中搅拌混合制得溶液放入容器中，然后向容器内加入S1中的SnO2纳米纤维室温下浸泡在容器内整夜，之后在干燥箱中干燥来收集样品；
[0011]S3：先将0.2mmol(NH4)6Mo7O
24
·
4H2O和6.1mmolCH4N2S在剧烈搅拌下溶解在去离子水中，搅拌10分钟后得到混合溶液，再将混合溶液转移到具有聚四氟乙烯衬底的密封高压釜中，最后将S2中样品添加到密封高压釜中进行加热，在210℃下加热12h，加热完成后冷却至室温并倒出上清液，再通过离心收集黑色沉淀物，洗涤干燥，60℃干燥箱中干燥过夜，得到SnO2@MoS2纳米复合材料。
[0012]优选地，S1中中所述静电纺丝工艺为：环境相对湿度为10％～50％，收集板与注射器针尖的电压为18kV、收集板与注射器针尖的距离为20cm。
[0013]优选地，S1中所述纺丝前驱体的煅烧过程为：在升温速率为1～3℃/min升温至600℃后保温5h。
[0014]优选地，所述钼酸铵、硫脲的纯度分别为99％，99％。
[0015]本专利技术第三个方面公开了一种基于上述三维分级SnO2@MoS2纳米复合材料的二甲苯气敏元件，采用半导体式管式、平板、微热板电极制作的半导体式气敏元件。
[0016]优选地，所述气敏元件为管式半导体气敏元件，其制备方法为：将所述分级SnO2@MoS2纳米复合材料和乙醇按比例混合后调成糊状，并将其均匀涂覆陶瓷管表面，再依次添加加热丝，经焊接，老化，封装得到管式半导体气敏元件。
[0017]优选地，所述气敏元件的技术指标包括：
[0018]工作温度为160～260℃；
[0019]元件对100ppm二甲苯的检测灵敏度R
g
/R
a
约为23.5；
[0020]响应时间为21.5s，恢复时间为60.4s；
[0021]对100ppm二甲苯的灵敏度高于100ppm氨气，丙酮，乙醇，甲醇和甲醛中任一种的灵敏度。
[0022]优选地，所述气敏元件检测二甲苯气体的浓度下限为0.5ppm。
[0023]与现有技术相比，本专利技术有如下优势：
[0024]1、本专利技术采用静电纺丝结合水热合成反应制得的分级SnO2@MoS2纳米复合材料，具有以SnO2纳米纤维为骨架、再经水热法在其纤维表面生长均匀的MoS2纳米片阵列而得的三维核壳纳米异质结结构，可以提高气敏材料的比表面积、构建三维分级核壳异质结构，提高材料中活性位点的数量从而增加气敏材料对于气体的吸附，有效提高其对二甲苯气体的灵敏度和选择性，且上述材料制备工艺简单，成本低。
[0025]2、本专利技术制备的气敏原件对二甲苯气体灵敏度高，对干扰气体选择性好、稳定性好，检测下限低，检测二甲苯气体的浓度下限为0.5ppm。
附图说明
[0026]图1为实施例1中分级SnO2@MoS2纳米复合材料的X射线衍射图，除了SnO2纤维的峰外还有MoS2的特征峰，证明了MoS2纳米片成功生长在在SnO2纤维上，图中未观察到其他峰，证明了产品的纯度。
[0027]图2为实施例1中三维SnO2@MoS2核壳纳米复合材料的SEM图，MoS2纳米片均匀地生
长在纳米纤维上，并且没有独立形核生长的MoS2纳米片。
[0028]图3为实施例1中三维SnO2@MoS2核壳纳米复合材料的TEM图，该复合结构具有较多的孔隙。
[0029]图4为实施例1中气敏原件对100ppm二甲苯在不同温度下的响应图，可见气敏元件在220℃对100ppm二甲苯的响应最高为23.5。
[0030]图5为实施例1中气敏原件对八种不同100ppm气体的选择性图，可以看出气敏本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维分级SnO2@MoS2纳米复合材料，其特征在于，所述复合材料由SnO2纳米纤维为骨架和其表面组装生长的均匀MoS2纳米片阵列组成。2.根据权利要求1所述的一种三维分级SnO2@MoS2纳米复合材料，其特征在于，所述SnO2纳米纤维的形貌均一，且表面粗糙，直径为210
‑
230nm；所述MoS2纳米片会自组装形成花朵形状，阵列的高度有序，其片层厚度为140
‑
150nm；所述SnO2@MoS2复合材料的外径为240
‑
260nm。3.一种如权利要求1
‑
2任一项所述SnO2@MoS2纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在800
‑
1000rpm搅拌下，将1.2g PVP缓慢加入到装有8mL乙醇的烧杯中，搅拌均匀得到溶液1；同时在800
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1000rpm搅拌下将0.15g/mLSnCl2·
2H2O加入N,N
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二甲基甲酰胺中，搅拌均匀得到溶液2，将溶液1和溶液2混合并磁力搅拌形成均匀的粘性透明溶液；将粘性透明溶液经静电纺丝后收集得到纺丝前驱体，对纺丝前驱体进行煅烧后得SnO2纳米纤维；S2：将0.2mmol(NH4)6Mo7O
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4H2O和6.1mmol CH4N2S在剧烈搅拌下溶解在装有40mL去离子水的烧杯中搅拌混合制得溶液放入容器中，然后向容器内加入S1中的SnO2纳米纤维室温下浸泡在容器内整夜，之后在干燥箱中干燥来收集样品；S3：先将0.2mmol(NH4)6Mo7O
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4H2O和6.1mmol CH4N2S在剧烈搅拌下溶解在去离子水中，搅拌10分钟后得到混合溶液，再将...

【专利技术属性】
技术研发人员：王丁，孙倩楠，卢政，田悦诚，曹文杰，李慧珺，李贵生，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：