一种基于高导电双金属Co/Cu-HHTP敏感材料的NH3气体传感器及其制备方法技术

一种基于高导电双金属Co/Cu

【技术实现步骤摘要】
一种基于高导电双金属Co/Cu
‑
HHTP敏感材料的NH3气体传感器及其制备方法


[0001]本专利技术属于气体传感器
，具体涉及一种基于高导电双金属Co/Cu
‑
HHTP敏感材料的NH3气体传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]气体传感器是一种能够检测和测量环境中气体浓度的设备，它广泛应用于工业、医疗、安全、环保等领域。近些年随着智慧工业、智能家居、环境监测等物联网场景的不断发展，气体传感器的需求大幅增加。NH3是公认的有害气体之一，对皮肤表面、眼睛、呼吸道等接触部位有直接的腐蚀作用，过多的吸入会引起肺水肿而导致死亡，因此对氨气的检测至关重要。化学电阻式气体传感器由于具有选择良好、灵敏度高、成本低等优点而应用广泛，然而由于大多数化学电阻式气体传感器在正常工作时温度较高，不可避免的带来耗能问题。
[0003]基于这种需求，为了降低功耗，越来越多的研究热点转移到能在室温下正常工作的气体传感器上。MOF(金属有机框架)材料是由金属离子或离子簇和有机配体组合而成，数十种金属离子和离子簇与上百种的有机配体相结合形成了种类丰富的MOF大家族，由于MOF材料具有大比表面积、可调的孔隙率、室温工作等优点，受到广泛关注。然而由于大多数MOF材料的绝缘性限制了它的发展，最近研究发现，由HHTP(2,3,6,7,10,11
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hexahydroxytriphenylene)、HITP(2,3,6,7,10,11
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hexaiminotriphenylene)等配体组成的二维MOF具有一定的导电特性。导电二维MOF因其具有可观的电导率和迁移率，在电化学、催化、气体传感器等领域潜力巨大并高速发展。迄今为止，鉴于二维导电HHTP
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MOF在气体传感器方向均为对M3(HHTP)2(M＝Co、Ni、Cu)等单金属MOF的研究，因此本专利技术开发的基于二维导电Cu
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HHTP改性的高导电双金属Co/Cu
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HHTP的室温NH3传感器在环境检测等各个领域具有十分重要的意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于高导电双金属Co/Cu
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HHTP敏感材料的NH3气体传感器及其制备方法，该高导电双金属Co/Cu
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HHTP敏感材料具有拓展的平面二维结构。
[0005]本专利技术中所述的一种基于高导电双金属Co/Cu
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HHTP敏感材料的NH3气体传感器，其由表面带有金叉指电极的PI(聚酰亚胺)衬底、涂覆在PI衬底和金叉指电极表面的高导电双金属Co/Cu
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HHTP敏感材料组成；传感器在工作时处于室温环境，不需要提供额外的直流电加热元件，通过测量不同气氛中金叉指电极间的直流电阻阻值实现测量NH3浓度的功能；其中，高导电双金属Co/Cu
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HHTP敏感材料由如下步骤制备得到：
[0006](1)将5～20mg Co(OAc)2·
4H2O、5～20mg Cu(OAc)2·
H2O和10～20mg HHTP(2,3,6,7,10,11
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hexahydroxytriphenylene)溶解在由0.5～1.5mL去离子水与500～1000μL N
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甲基吡咯烷酮混合而成的溶剂中，超声5～30min后得到前驱液；
[0007](2)将步骤(1)得到的前驱液在60～100℃条件下反应8～24h，得到黑褐色溶液；
[0008](3)将步骤(2)得到的黑褐色溶液先溶于去离子水中离心洗涤2～4次，然后溶于甲醇中离心洗涤2～4次，洗涤后置于空气中于室温下自然干燥，得到黑色粉末产物；
[0009](4)将步骤(3)得到的黑色粉末产物浸泡于乙腈中12～72h，每间隔8～20h更换一次乙腈；然后将浸泡后产物置于50～100℃真空下干燥8～24h，得到高导电双金属Co/Cu
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HHTP敏感材料。
[0010]本专利技术所述的一种基于高导电双金属Co/Cu
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HHTP敏感材料的NH3气体感器的制备方法，其步骤如下：
[0011](1)取Co/Cu
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HHTP敏感材料1～2mg，与100～300μL异丙醇均匀混合形成浆料；用移液枪取5～10μL该浆料，滴加至PI衬底和金叉指电极表面，得到15～30μm厚的敏感材料薄膜；叉指电极的对数为10～20对，叉指电极的长为5～10mm，宽为5～10mm，指间距为40～100μm；
[0012](2)将涂覆好敏感材料薄膜的PI衬底在50～100℃真空下烘干8～24h，得到基于高导电双金属Co/Cu
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HHTP敏感材料的NH3气体传感器。
[0013]本专利技术所述的基于高导电双金属Co/Cu
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HHTP敏感材料的NH3气体感器的工作原理：
[0014](1)从物理角度，“跳跃(hopping)理论”和“能带(band)理论”能够反映出导电MOF本征的电荷传输性质；
[0015](2)从化学设计角度，构建导电MOF的载流子传输通道可分为两类，即“通过空间(through space)”(通过空间的方法构筑导电MOF是通过具有电化学活性片段之间的非共价相互作用(例如π
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π堆积)构建电荷传输途径，因为刚性的MOF结构可以强制紧密堆积并在相邻配体之间形成足够的轨道重叠)和“通过价键(through bonds)”传输(通过价键的方法构筑导电MOF是通过金属中心和有机配体共价键合所产生的合适的空间和高能轨道重叠来促进电荷传输，达到导电的目的)。
[0016]由于高导电双金属Co/Cu
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HHTP敏感材料具有蜂窝状多孔结构，由扩展六边形2Dπ共轭层的AB堆叠构成，该敏感材料的NH3气敏机制可分别从层内和层间角度分析：
[0017](1)层内分析：NH3分子中的N存在孤对电子，Cu
2+
中心存在空轨道可以接受电子，两者接触并相互作用，形成配位键，改变晶体的晶格结构，使晶体内势场发生变化，从而引起能带结构的改变，则当NH3分子与Co
2+
/Cu
2+
中心相互作用后，带隙变宽，从而导致电阻增大，电导率降低；
[0018](2)层间分析：由于NH3分子中孤对电子的作用力，使得原本分子立体构型为平面四方形的Co
2+
/Cu
2+
中心发生一定程度的弯折，从而导致层间间隙变大，材料电阻上升；而对于不同的金属中心，由于Co
2+
与Cu
2+
半径不同，作用力引起的弯折程度不同会导致层间间隙的变化幅度不同，从而导致相比于单金属Cu
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HHTP敏感材料，双金属Co/Cu
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HHTP敏感材料对NH3的灵敏度增强。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于高导电双金属Co/Cu
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HHTP敏感材料的NH3气体传感器，其特征在于：由表面带有金叉指电极的聚酰亚胺衬底、涂覆在聚酰亚胺衬底和金叉指电极表面的高导电双金属Co/Cu
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HHTP敏感材料薄膜组成；且该高导电双金属Co/Cu
‑
HHTP敏感材料由如下步骤制备得到，(1)将5～20mg Co(OAc)2·
4H2O、5～20mg Cu(OAc)2·
H2O和10～20mg HHTP溶解在由0.5～1.5mL去离子水与500～1000μL N
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甲基吡咯烷酮混合而成的溶剂中，超声5～30min后得到前驱液；HHTP为2,3,6,7,10,11
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hexahydroxytriphenylene；(2)将步骤(1)得到的前驱液在60～100℃条件下反应8～24h；(3)将步骤(2)得到的溶液先溶于去离子水中离心洗涤2～4次，然后溶于甲醇中离心洗涤2～4次，洗涤后置于空气中于室温下自然干燥，得到粉末产物；(4)将步骤(3)得到的粉末产物浸泡于乙腈中12～72h，每间隔8～20h更换一次乙腈；然后将浸泡后产物置于50～1...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙鹏，姜月茹，卢革宇，王天双，赵留鹏，刘方猛，闫旭，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：