一种过渡金属磷化物修饰TiO2气敏传感器及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种过渡金属磷化物修饰TiO2气敏传感器及其制备方法和应用，属于气体检测技术领域。本发明专利技术提供的过渡金属磷化物修饰TiO2气敏传感器包括导电衬底、附着在所述导电衬底表面的TiO2膜层以及分布于所述TiO2膜层表面的过渡金属磷化物纳米颗粒，所述过渡金属磷化物为Ni2P和/或CoP。本发明专利技术利用过渡金属磷化物颗粒作为TiO2的助催化剂，过渡金属磷化物的修饰作用能够显著提高TiO2传感器的气敏性能，与贵金属修饰的传感器相比大大降低了制备成本，有利于大规模推广使用，所得气敏传感器在室温下对H2具有高灵敏度、高选择性和长期稳定的优点。稳定的优点。稳定的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种过渡金属磷化物修饰TiO2气敏传感器及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及气体检测
，特别涉及一种过渡金属磷化物修饰TiO2气敏传感器及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]氢气作为一种高效清洁能源而被广泛应用，但由于氢气分子很小，在生产、储存、运输和使用的过程中很容易泄漏引发爆炸事故，可靠的泄漏检测至关重要。
[0003]近几十年来，气体传感器已被广泛应用于环境保护、工业安全、医疗诊断等许多方面的不同气体的检测。金属氧化物半导体(SMO)是一种重要的气敏材料，具有突出的气敏性能。金属氧化物半导体的化学电阻式气体传感器广泛用于气体成分和浓度的检测。
[0004]但由于原始金属氧化物半导体气体传感器存在灵敏度低，响应和恢复时间长的缺点，利用助催化剂在气敏传感器表面进行修饰是提高气体传感器气敏性能的有效方法。其中，表面贵金属修饰的方法受到了人们的大量关注，通过Au、Ag、Pt、和Pd等贵金属修饰SMO材料作为气敏器件已被广泛研究。例如，Kim等人通过Ag纳米颗粒修饰SnO2薄膜在300℃下对1ppmNO2的灵敏度为1000(Kim,Sang,Sub,etal.“Optimizationofmetalnanoparticleamount onSnO2nanowirestoachievesuperiorgassensingproperties”[J].Sensors&ActuatorsBChemical2017，238，374
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380)。Zhang等人通过Au修饰TiO2在室温下对5ppm甲醛的灵敏度是纯TiO2的3倍(ZhangS,ZhaoL,Huang B,etal.“EnhancedSensingPerformanceofAu
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DecoratedTiO2Nanospheres withHollowStructureforFormaldehydeDetectionatRoomTemperature”[J].SocialScienceElectronicPublishing2022)。
[0005]利用贵金属纳米颗粒优异的催化性能，能够促进目标气体的吸附和解吸附反应，提高气体传感器的性能。但这些贵金属助催化剂的主要缺点是地球丰度低，成本高，不适合大规模应用。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术目的在于提供一种过渡金属磷化物修饰TiO2气敏传感器及其制备方法和应用，本专利技术提供的过渡金属磷化物修饰TiO2气敏传感器成本低，对H2具有良好的检测灵敏度。
[0007]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0008]本专利技术提供了一种过渡金属磷化物修饰TiO2气敏传感器，包括导电衬底、附着在所述导电衬底表面的TiO2膜层以及分布于所述TiO2膜层表面的过渡金属磷化物纳米颗粒，所述过渡金属磷化物为Ni2P和/或CoP。
[0009]优选的，所述TiO2膜层的厚度为1.5～4.0μm。
[0010]优选的，所述过渡金属磷化物纳米颗粒的粒径为100～2000nm。
[0011]本专利技术提供了上述过渡金属磷化物修饰TiO2气敏传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0012]提供水热法制备TiO2的前驱体溶液；
[0013]将导电衬底置于所述前驱体溶液中，进行水热反应，得到附着有TiO2膜层的导电衬底；
[0014]在所述附着有TiO2膜层的导电衬底的TiO2膜层表面加载过渡金属磷化物的醇分散液，依次进行干燥和退火，得到过渡金属磷化物修饰TiO2气敏传感器。
[0015]优选的，所述水热法制备TiO2的前驱体溶液包括以下体积份的原料：
[0016]水
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20～35份；
[0017]乙醇
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0.05～5份；
[0018]盐酸
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20～40份
[0019]钛酸四丁酯0.5～3份。
[0020]优选的，所述过渡金属磷化物的质量与钛酸四丁酯的体积比为0.01～0.08g：0.5～3mL。
[0021]优选的，当所述过渡金属磷化物为Ni2P时，所述Ni2P的制备方法，包括以下步骤：
[0022]将可溶性过渡金属镍源、红磷和醇溶剂混合，进行溶剂热反应，得到Ni2P；
[0023]当所述过渡金属磷化物为CoP时，所述CoP的制备方法，包括以下步骤：
[0024]将可溶性过渡金属钴源、氟化铵、尿素、红磷和水混合，进行溶剂热反应，得到前驱体，对所述前驱体进行退火处理，得到CoP。
[0025]优选的，所述水热反应的温度为120～180℃，时间为4～18h。
[0026]优选的，所述退火的温度为300～550℃，保温时间为10～60min。
[0027]本专利技术提供了上述过渡金属磷化物修饰TiO2气敏传感器在氢气检测中的应用。
[0028]本专利技术提供了一种过渡金属磷化物修饰TiO2气敏传感器，包括导电衬底、附着在所述导电衬底表面的TiO2膜层以及分布于所述TiO2膜层表面的过渡金属磷化物纳米颗粒，所述过渡金属磷化物为Ni2P和/或CoP。本专利技术利用过渡金属磷化物纳米颗粒作为TiO2的助催化剂，过渡金属磷化物纳米颗粒具有良好的导电性，较好的热稳定性和化学稳定性以及类似贵金属的极高催化活性，过渡金属磷化物的修饰作用能够显著提高TiO2传感器的气敏性能，与贵金属修饰的传感器相比大大降低了制备成本，有利于大规模推广使用，所得气敏传感器在室温下对H2具有高灵敏度、高选择性和长期稳定的优点。实施例结果表明，本专利技术提供的过渡金属磷化物修饰TiO2气敏传感器检测H2浓度极限值小于1ppm，在检测H2浓度为8000ppm时灵敏度可达1826.18，响应时间为12s，恢复时间为148s。因此本专利技术提供的气敏传感器在H2浓度范围1～8000ppm内都具有优异的灵敏度性能，以及极快的响应恢复时间。
[0029]本专利技术提供了上述过渡金属磷化物修饰TiO2气敏传感器的制备方法，此法操作简单，适合工业化批量生产。
附图说明
[0030]图1为过渡金属磷化物修饰TiO2气敏传感器用于氢气检测的示意图；
[0031]图2为实施例1～5所得Ni2P修饰TiO2气敏传感器的SEM表面形貌图；
[0032]图3为实施例1中FTO衬底、Ni2P、TiO2纳米柱以及Ni2P修饰TiO2薄膜样品的X射线衍
射图谱；
[0033]图4为室温下纯金红石相TiO2样品的H2传感特性测试图；
[0034]图5为室温下样品0.01Ni2P
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TiO2的H2传感特性测试图；
[0035]图6为室温下样品0.02Ni2P
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TiO2的H2传感特性测试图；
[0036]图7为室温下样品0.03Ni2P
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TiO2的H2传感特性测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种过渡金属磷化物修饰TiO2气敏传感器，包括导电衬底、附着在所述导电衬底表面的TiO2膜层以及分布于所述TiO2膜层表面的过渡金属磷化物纳米颗粒，所述过渡金属磷化物为Ni2P和/或CoP。2.根据权利要求1所述的过渡金属磷化物修饰TiO2气敏传感器，其特征在于，所述TiO2膜层的厚度为1.5～4.0μm。3.根据权利要求1或2所述的过渡金属磷化物修饰TiO2气敏传感器，其特征在于，所述过渡金属磷化物纳米颗粒的粒径为100～2000nm。4.权利要求1～3任意一项所述过渡金属磷化物修饰TiO2气敏传感器的制备方法，包括以下步骤：提供水热法制备TiO2的前驱体溶液；将导电衬底置于所述前驱体溶液中，进行水热反应，得到附着有TiO2膜层的导电衬底；在所述附着有TiO2膜层的导电衬底的TiO2膜层表面加载过渡金属磷化物的醇分散液，依次进行干燥和退火，得到过渡金属磷化物修饰TiO2气敏传感器。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述水热法制备TiO2的前驱体溶液包括以下体积份的原料：水20～35份；乙醇0.05～5份；盐酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍钰文，黄来香，夏晓红，高云，孙志钢，
申请(专利权)人：湖北大学，
类型：发明
国别省市：