本发明专利技术公开了属于气敏传感器技术领域的一种以水滑石为前体制备气敏元件的方法。首先采用共沉淀法制备水滑石，然后将水滑石在不同温度下焙烧，形成复合半导体金属氧化物材料，将其制备成气敏元件，此种气敏元件通过测量元件在不同气体中的电阻值，可用于各种气体的检测。本发明专利技术的主要优点是材料制备步骤简单、成本低廉，元素组成多样化，焙烧后形成的复合氧化物的元素分布均匀。由此材料制备成的气敏元件灵敏度高，响应恢复快，稳定性好，发展潜力大，有利于推广。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于气敏传感
，特别涉及一类含Zn水滑石的制备，将其焙烧获得含ZnO的复合金属氧化物材料，将其制作成气敏元件，探究其气敏性质。
技术介绍
ZnO是最早被发现的半导体气敏材料，特点是具有宽带隙(禁带宽度为3. 2eV)和优良的光电、压电等性能，物理化学性质稳定。它在1800°C才有升华现象，可在较高的温度下工作，并且价格便宜、易于制备，因而受到人们越来越多的重视。纯的ZnO气敏元件性能不够稳定、灵敏度较低、工作温度较高、选择性比较差，而且在空气中的电阻过高。为了改善其气敏性能，研究人员纷纷采用在ZnO中掺杂的方法，试图借此改善它的气敏性能。在这些方法中，包括贵金属敏化方法，稀土氧化物掺杂方法，过渡元素氧化物掺杂方法，碱土金属元素掺杂方法等。掺杂La2O3和Pd可明显改善气敏元件的敏感性能，并在工作温度为175°C时对乙醇蒸气有很高的灵敏度和选择性。Tb2O3掺杂的ZnO气敏元件比纯ZnO气敏元件有更好的选择性，更低的工作温度。ZnO-SnO2复合气敏元件对1_ 丁醇蒸气和二甲基二硫醚蒸气的气敏特性，表现出更高的灵敏度。掺杂Al2O3等对ZnO气敏元件的气敏性能也有影响，在工作温度为300°C时，掺杂4. Owt % Al2O3U. Owt % TiO2和0. 2wt% V2O5的ZnO气敏元件对三甲胺气体表现出很高的灵敏度和较好的选择性。掺杂Y2O3的ZnO气敏元件对乙醇、汽油敏感，而掺杂ZrO2的ZnO气敏元件适于检测H2,并具有较小的功耗。用Sol-gel方法制备了 ZnO和Ga2O3复合气敏元件，发现它对氧气表现出很高的灵敏度。由此可以看出通过掺杂形成ZnO的复合物可以获得灵敏度高、选择性强、工作温度低、稳定性好的气敏材料。双金属氢氧化物又称为水滑石(Layered Double Hydroxides,简写为LDHs)是一种多功能阴离子型层状材料，其具有层板金属元素可调，层间离子可交换等多种特点，通过合理的设计，研究人员应用各种方法已将上百种具有功能性的阴离子引入到水滑石层间，形成了具有不同性能的阴离子型插层结构材料，在催化、药物的存储和释放、光电转换等多种领域具有广泛的应用前景。水滑石具备元素组成多样化以及元素组成分布均匀的特点，形成的复合物也是多样化的，因此在焙烧过程中元素分布仍然很均匀。根据水滑石所含的元素均匀的性质，将其焙烧形成复合氧化物，制成气敏元件，研究此类气敏元件的气敏性质，鲜有报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是制备二价金属和三价金属及四价金属任意组合的水滑石前体，将其焙烧，得到多种元素组成的复合氧化物，形如ZnO (M3+)，Zn0/M203, Zn0/M203/M02 (M表示金属元素)，制成气敏元件，探究其对乙醇的敏感性质。 本专利技术的技术方案是首先采用共沉淀法制备水滑石，将水滑石在不同温度下焙烧，形成含ZnO的复合半导体材料，然后制成气敏元件。此种气敏元件通过测量其在不同气体中的电阻值，可用于各种气体的检测。本专利技术以水滑石为前体制气敏元件的步骤如下(I)共沉淀法制备层间为硝酸根的水滑石配制含可溶性二价金属阳离子Zn2+和可溶性三价金属阳离子M3+的混合盐溶液，Zn2+和M3+的摩尔比4-1，其中Zn2+的浓度为0. 1-lmol/L ;配制0. l_5mol/LNa0H溶液，并且用量为NaOH的摩尔数是Zn2+和M3+的摩尔总和的2_5倍；然后在氮气保护、搅拌条件下，将混合盐溶液和NaOH溶液共沉淀形成悬浮液；滴加完毕后，继续搅拌10-40分钟，然后100-140°C条件下水热晶化12-48小时，采用去CO2水离心洗涤至中性，于60_70°C干燥12-36小时，得到硝酸根插层水滑石；将得到的硝酸根插层水滑石焙烧形成含ZnO的半导体材料；(2)制备气敏元件将步骤(I)得到的含ZnO的半导体材料研磨均匀后加入溶剂调成糊状，然后均匀 涂在陶瓷管的外面，将涂好的陶瓷管置于瓷方舟内放在烘箱中20-50°C烘干1-3小时，自然冷却；然后将陶瓷管的4个电极丝焊接在底座上，将加热丝从陶瓷管中穿过并将其两端也焊接在底座上，然后进行老化，制成气敏元件。所述的M3+ 选自 Al3+、Cr3+、Ga3+、In3+、Co3+、Fe3+、La3+ 和 V3+ 中的一种或两种。所述的共沉淀法为单滴法或双滴法；双滴法是将NaOH溶液和混合盐溶液同时滴入反应瓶中，并控制反应瓶中溶液PH在6-10之间；单滴法是将NaOH溶液滴入混合盐溶液中，控制最终pH在5-10之间。步骤⑴中所述的焙烧温度为400_1200°C，优选800-1000°C，升温速率为5-10°C /分钟，保温1-5小时。步骤(2)中所述的溶剂为水、乙醇或乙二醇。步骤⑵中所述的老化是指置于老化台上，设置80-120mA的电流，老化12-120小时。上述制得的气敏元件应用于乙醇、甲醇、丙酮、氯仿或甲酰胺气体的测试。气敏测试气敏元件测试系统由硬件，软件两部分组成。系统硬件由PC机、电缆、配气箱等组成。气敏实验应用软件由Windows7/WindowsXP支持运行,其他实验仪器包括气敏元件，广口瓶，延长线等。首先确定此种气敏元件对不同气体的最佳工作电流，在此电流下测定气敏元件对不同浓度(10-50000ppm)气体的灵敏度，得到相应的曲线；再测定此气敏元件对特定浓度的气体的灵敏度，获得响应恢复曲线。本专利技术的优点在于材料制备步骤简单、成本低廉，元素组成分布均匀，焙烧后形成的复合氧化物的元素组成多样化、分布均匀；制备成的气敏元件灵敏度高，响应恢复快、稳定性好，发展潜力大，有利于推广。附图说明图I、图2是本专利技术实施例I得到的以水滑石为前体的气敏元件对乙醇气体的灵敏度浓度曲线及特定浓度的响应恢复曲线。图3、图4是本专利技术实施例2得到的以水滑石为前体的气敏元件对乙醇气体的灵敏度浓度曲线及特定浓度的响应恢复曲线。具体实施例方式实施例I1、双滴法制备层间为硝酸根的水滑石将0. 02mol 的固体 Zn (NO3)2 6H20 和 0. Olmol 的固体 Al (NO3)3 9H20 溶于 IOOml的去CO2水中配成混合盐溶液，将0. 08mol的NaOH溶于IOOml的去CO2去离子水中配成碱溶液，然后在氮气保护下，边搅拌边将两种溶液同时滴入四口烧瓶中，控制碱液的滴加速度，保持烧瓶中溶液的PH在6. 5-7的范围，滴定完毕后，继续搅拌30分钟，在100°C条件下水热晶化12小时，采用去CO2水离心洗涤至中性，60°C干燥24小时，得到硝酸根插层水滑石。将所得水滑石在600°C温度下以10°C /min的升温速率焙烧，保温5小时，形成复合氧化物，即含ZnO(Al)的半导体材料。2、制备气敏元件在玛瑙研钵中加入少许步骤I得到的含ZnO(Al)的半导体材料，研磨均匀后加入少量去离子水，调成糊状后用细毛笔均匀涂在陶瓷管的外面，将涂好的陶瓷管置于瓷方舟内放在烘箱中30°C烘干I小时，然后自然冷却后备用。将陶瓷管的4个电极丝焊接在底座上，然后将加热丝从陶瓷管中穿过并将其两端也焊接在底座上，将焊好的气敏元件置于专用的老化台上，设置80mA电流,老化12小时,制得气敏元件。将上述气敏元件进行测试(I)测灵敏度与浓度的关系a将IL配气瓶反复清洗干净后本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：郭影，关美玉，徐冬梅，宋宇飞，徐庆红，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：
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