[发明专利]一种高灵敏度快速响应的气敏材料以及制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种气敏材料，具体为一种对乙醇、甲醛、氯仿等气体具高灵敏度快速响应的气敏材料，以及这种气敏材料的制备方法和应用。属于气体检测技术领域。

背景技术

气体传感器已经广泛应用于食品卫生、环境监测、公共安全、航空航天等领域。在各类传感器中，金属氧化物传感器(气敏元件)以其结构简单、价格低廉的特点而得到关注。气敏材料是控制气敏元件性能最重要的因素，而敏感性(具体表现为灵敏度)是气敏材料的最基本和最重要的性能指标，它与气敏材料的微结构密切相关。影响敏感性的微观因素主要有气敏材料的晶粒尺寸及孔隙率、二次颗粒团聚、晶体取向，化学组成、氧空位浓度、不可控杂质类型及浓度等。在众多的影响因素中，气敏材料的晶粒尺寸是最为容易控制和实现的因素。

理论和实验研究表明，金属氧化物纳米材料具有比表面积大、表面活性高等纳米效应，能大幅度提高灵敏度，缩短响应和恢复时间。因此，采用各种特殊方法，减小金属氧化物的晶粒尺寸，成为气敏材料的研发热点，材料纳米化也成为制作气敏元件的关键(Elisabetta Comini，Metal oxide nano-crystals for gassensing，Analytica Chimica Acta，2006，568，28-40)。

传统锡酸锌气敏材料的制备方法是主要包括高压焙烧法，固体研磨法，水热法，低温离子交换法等，这些方法存在能耗高，耗时长，原材料价格高昂等缺点，且制备的锡酸锌气敏材料颗粒粒径较大，灵敏度不够高，最低检测限度有待于进一步降低。因而，运用简单的方法制备出具有高灵敏度，快速响应，检测限度低的气敏材料成为研究的关键。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种高灵敏度快速响应的气敏材料，这种气敏材料安全无毒、化学性质稳定、易长期保存、气敏性能稳定。以解决现有技术的上述问题。

本发明的另一个目的是为了提供这种气敏材料的制备方法和应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现。

一种高灵敏度快速响应的气敏材料，无需任何表面活性剂，即可形成规则均一的纳米立方块；是以锡酸锌为基质，掺杂有钇、铈、铝、铋、锶、镉、钙、镁、钡、铜中的一种或几种元素的纳米材料；其边长为40nm。

上述高灵敏度快速响应的气敏材料的制备方法，具体步骤如下：

a)称取锌的无机盐和掺杂元素的无机盐，使锑的无机盐和掺杂元素的无机盐的摩尔比为(1～99)∶1；

b)加入适量去离子水，使混合盐的溶液浓度为0.1～0.5mol/L；

c)在室温下搅拌0.5～2小时，制得无色透明溶液；

d)边搅拌边向溶液中滴加等摩尔浓度为0.1mol/L～5mol/L的锡酸盐溶液，调节pH＝7～8；

e)在0～80℃下继续搅拌1～5小时，制得乳白色乳浊液；

f)过滤、洗涤，将得到的乳白色滤饼于90～110℃真空干燥3～5小时；

g)将冷却后的干燥滤饼置于玛瑙研钵中研磨10～30分钟。

所述的锌的无机盐优选硫酸锌、氯化锌、硝酸锌或乙酸锌中的一种。

所述的掺杂元素的无机盐优选硝酸钇、硝酸亚铈、氯化铝、硝酸铋、硝酸锶、乙酸镉、氯化钙、氯化镁、氯化钡和乙酸铜中的一种或几种的任意组合物。

所述的锡酸盐选自锡酸钠或锡酸钾。

使用本发明的高灵敏度快速响应气敏无机材料可以制备气敏元件，以快速检测乙醇、甲醛、氯仿等蒸汽。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)首次制得了以锡酸锌为基质，同时掺杂有钇、铈、铝、铋、锶、镉、钙、镁、钡、铜中的一种或几种元素的高灵敏度快速响应气敏无机材料，以其为气敏材料制备的气敏元件对乙醇、甲醛、氯仿等都具有很高的灵敏度和快速的响应和恢复，且检测限度可达1ppm以下，为热反射隔热类材料增添了一个新品种；

2)本发明产品是不含有机溶剂的无机固体材料，具有安全无毒、化学性质稳定、易于长期保存、气敏性能稳定等有益效果；

3)本发明的制备工艺简单易操作，原料价廉易得，反应过程基本没有工业三废，具有绿色环保、低能耗、高效益等特点，适合工业化生产。

附图说明

图1为实施例1所制备的气敏材料的场发射扫描电子显微镜照片；

图2为实施例18所制备的气敏材料的场发射扫描电子显微镜照片；

图3为实施例19所制备的气敏材料的场发射扫描电子显微镜照片；

图4为实施例20所制备的气敏材料的场发射扫描电子显微镜照片；