[发明专利]一种蠕虫状氧化锡气敏材料及其制备方法和乙醇探测用途

说明书

本发明公开一种蠕虫状氧化锡气敏材料及其制备方法和乙醇探测用途，主要步骤为：将过量锡粒置于双氧水和硝酸组成的反应液中，60～90℃保温3～48小时，将粉末分离、清洗、烘干后热处理即得蠕虫状氧化锡气敏材料。本发明简单易行，制备过程绿色无污染，成本低廉，所得蠕虫状氧化锡颗粒分散良好，单个颗粒由片层状结构平行排列组成，片与片之间存在纳米级间隙，且所述材料具有优异的探测乙醇气敏性能。

技术领域

本发明属于金属氧化物气体传感器技术领域，具体涉及一种蠕虫状氧化锡气敏材料及其制备方法和用途，该材料制备过程极为简单，且性能优异，可应用于乙醇气体传感器。

背景技术

乙醇作为一种无色低毒且使用广泛的化合物，在食品、生物医学、化学工业等方面有着广泛的应用。尽管低毒不具有危险性，但是长期暴露在乙醇气体环境中会使人感到头晕犯困、视力受损，严重的还会呼吸困难。除此之外，酒驾作为交通事故的重要诱因之一，严重威胁着人们的生活，影响社会安定和发展。气体传感器作为一种有效检测工具，可以用来检测驾驶者呼出气体中乙醇的浓度，从而判定驾驶者是否酒驾。

金属氧化物半导体气体传感器具有灵敏度高、便携、探测范围广、成本低等优点。这些优点不仅使其在日常生活中被广泛使用，同时也带动了相关产业的发展。金属氧化物半导体气体传感器的传感机制是基于其电阻值在待测气体和空气中的变化，待测气体的浓度越高，传感器相对于空气中的电阻值变化就越明显，因此响应值(也称作灵敏度)在同条件下越大越好。在众多气敏材料中，氧化锡作为一种n型氧化物半导体，是最早被用作气敏传感器的材料之一，其气敏性能一直以来备受广大科研工作者关注。

科研人员通过调控氧化锡的微观形貌、第二相颗粒负载、贵金属掺杂、与其他金属氧化物构建异质结等方法对氧化锡进行改性，从而提高其气敏性能。但是现有的基于氧化锡的微纳结构气敏材料主要制备方法如溶胶-凝胶法、微乳液法、共沉淀法、水热法等存在不同程度问题，如原料价格昂贵、部分试剂有毒性、制备周期长、步骤复杂、产物纯度低、产率低、高能耗、仪器复杂等。例如，中国发明专利“一种乙醇传感器、合成方法”(CN111638250A)中公开了一种先用水热法合成碳球、再煅烧，然后再水热制备产物，最后通过高温退火除去碳球模板的方法，合成出金@氧化锡空心微球，制得的产物在240摄氏度对100ppm的乙醇的响应值约为25。目前，如何寻找一种设备要求低、不需要添加模板、安全节能、制备过程绿色无污染且原料相对低廉的方法制备气敏性能优异的氧化锡材料是研究的当务之急。

发明内容

本发明目的是针对现有技术的不足，提供一种蠕虫状氧化锡气敏材料及其制备方法和用途，本发明的制备方法过程极为简单、设备要求低、过程绿色无污染，制得的产物可以应用于乙醇气敏检测，而且性能优异，该方法适合大规模批量生产，利于推广。

一种蠕虫状氧化锡气敏材料，是由氧化锡片层结构排列构成的蠕虫状颗粒，所述的氧化锡片层结构由氧化锡的纳米颗粒自组装而成，所述纳米颗粒的粒径为5-30nm，所述的片层结构之间具有纳米级的间隙。

进一步的，所述的间隙为100-300nm。

上述独特形貌及结构的材料采用如下方法制得，方法包括：配备由双氧水和硝酸组成的反应液；向反应液中加入锡粒，60～90℃保温3～48小时；清洗干燥后进行热处理，即得到蠕虫状氧化锡气敏材料。

上述方案中，所述的反应液中双氧水的浓度应不低于30％。经过大量实验证明，特定浓度的双氧水体系不仅可以得到单分散性优异的颗粒，还可以使氧化锡形成特定的层状结构。此外，若反应液中不加入双氧水或双氧水浓度不够，则氧化锡产率和形貌都无法得到保证。这种奇特的层状结构可以增加气体的吸附位点，从而有利于气敏反应的进行，提升氧化锡的气敏性能。

进一步的，所述的锡粒通常应过量，即反应液中锡粒的加入量应不少于6g/L。因为加入过量锡粒不会影响产物的质量，反而可以使反应更充分的进行。此外，反应结束后，剩余的锡粒依然可以进行回收，通过酸洗过后，继续投入使用。