[发明专利]具有超高灵敏度和选择性的甲醛敏感材料CdGa2O4及其制备方法

说明书

一种高灵敏度和选择性的新型甲醛敏感材料CdGa₂O₄纳米纤维及其制备方法，属于无机功能材料领域。本发明采用Cd盐和Ga盐为前驱体，溶于乙醇和N，N‑二甲基甲酰胺的混合溶剂，通过聚乙烯吡咯烷酮调节溶液粘度，利用静电纺丝技术制备纳米纤维，焙烧得到CdO纳米粒子修饰的富镓型CdGa₂O₄多孔纳米纤维，纤维由少量CdO纳米粒子相分离修饰，导致CdGa₂O₄尖晶石中部分Ga³⁺替代四面体间隙Cd²⁺位置，产生自由电子，有利于增加材料对氧的吸附，提高材料对甲醛的灵敏度。在较低的操作温度下(110℃)对甲醛气体表现出极高的灵敏度(10ppm,S＝60.0)，对甲醇、乙醇、丙酮、苯等其他挥发性有机化合物表现出极高的选择性，同时对甲醛的最低检测限(33ppb)低于国家标准。

技术领域

本发明属于无机功能材料技术领域，具体涉及一种具有超高灵敏度和选择性的甲醛敏感材料CdGa₂O₄多孔纳米纤维及其利用静电纺丝技术的制备方法。

背景技术

甲醛作为室内空气中的首要气态污染物，具有生殖毒性和致癌作用，严重威胁着人类健康。甲醛的检测，尤其是低浓度甲醛的高灵敏度、选择性检测受到广泛关注。我国《民用建筑工程室内环境污染控制规范》(GB50325-2010)规定，民用建筑室内甲醛浓度应低于0.08mg/m³(约60ppb)。多种类型、不同纳米结构的半导体金属氧化物(如ZnO，SnO₂，In₂O₃等)作为气敏元件被开发用于甲醛等气态污染物的检测。然而，目前国内外所生产的气敏传感器在污染物检测种类、检测限等关键指标上仍不能充分满足空气质量检测要求，检测下限大都在 ppm级。此外，如何提高甲醛检测的选择性，提升检测数据的可靠性依旧充满挑战。

针对以上问题，寻找和开发新型的具有低检测限、高选择性、高灵敏度的半导体氧化物材料十分必要。和单一种类的金属氧化物相比，复合金属氧化物能够通过改变组分，优化物理和化学性质，灵活调控晶相、纳米结构、禁带宽度和气敏性质，展现出巨大优势。近年来，尖晶石结构(如MFe₂O₄，MCo₂O₄，MCr₂O₄， MGa₂O₄等)复合金属化合物检测有害气体显示出巨大前景(Sens.Actuators B, 2016,222,95～105)，但CdGa₂O₄作为一种典型镓尖晶石材料能够用于低浓度甲醛的高灵敏和选择性检测尚未被认知。

静电纺丝技术是制备复合金属氧化物纳米纤维的重要手段。它具有设备简单、生产成本低廉、过程容易控制、可以大规模生产等优点。更重要的是，通过调控纺丝前驱体溶液、纺丝环境以及其他纺丝参数，能够构筑独特结构的一维纳米材料及一维复合纳米材料，例如实心纳米纤维、中空纳米管、疏松多孔纳米纤维等，从而提高材料应用性能。

发明内容