[发明专利]一种室温氨气传感材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种室温氨气传感材料及其制备方法，其由羟基磷灰石与黑磷烯组成，其中：黑磷烯的质量百分含量为3～10％，余量为羟基磷灰石。本发明将羟基磷灰石与黑磷烯复合后，由于黑磷烯是P型半导体，空穴是它的载流子；当其与还原性气体氨气接触时，由于羟基磷灰石充当质子受体，因此表面有多余的电荷，此时，电子从黑磷烯流向羟基磷灰石，黑磷烯的载流子浓度增加，因此两者复合后在氨气中的电阻降低，从而使的其响应时间更短，灵敏性更高。本发明中的室温氨气传感材料可以提高对氨气的响应灵敏度，1000ppm浓度时可达到91％以上，而且低浓度下灵敏度线性好，有效缩短响应时间，兼具良好的循环稳定性。

技术领域

本发明属于气体传感材料及气体传感器技术领域，具体涉及一种室温氨气传感材料及其制备方法。

背景技术

羟基磷灰石(Hydroxyapatite，化学式为Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂，缩写为HA或HAp)具有特殊的三维网状结构，表面的多重吸附位点，表现出优越的吸附性能。但由于其导电性能一般，关于其作为气体传感器的研究尚少。为改善其性能，往往通过掺杂改性或与导电性能优异的材料来制备复合材料。Mene等人通过离子掺杂和重离子辐射技术提高了HA对CO和CO₂的传感性能，但响应灵敏度仍然不高，且存在工作温度高的缺点。Khairnar等人通过添加0.1wt％的碳纳米管，将羟基磷灰石晶体的最佳工作温度从160℃降低到70℃。此外，该团队将碳纳米管掺入HA基质中，能有效监测甲醇和乙醇的浓度。也有报道称，在羟基磷灰石中加入TiO₂和石墨，可以有效提高对甲醇、乙醇和丙醇的传感能力。张青合成了石墨烯-羟基磷灰石复合材料，也有效提高了羟基磷灰石对氨气的传感性能，但是其灵敏度还有待提高。

黑磷烯(Black phosphorus，缩写为BP)作为一种新型二维材料，具有诸多优异的机械特性、电子学特性和光电特性。黑磷烯具有很高的比表面积，在气体吸附和传感方面具有天然优势，其具有独特的电子性质和极高的电子迁移率，对周围的环境非常敏感，但是其在传感器方面应用较少。

发明内容

本发明的目的是提供一种灵敏度高、响应时间短的室温氨气传感材料及其制备方法。

本发明这种室温氨气传感材料，由羟基磷灰石与黑磷烯组成，其中：黑磷烯的质量百分含量为3～10％，余量为羟基磷灰石。

所述的羟基磷灰石采用固态合成法、机械化学法、共沉淀法、水解法、溶胶-凝胶法、水热法、乳化法、声化学法、燃烧热解法中的一种制备方法制备得到。

所述羟基磷灰石制备方法中采用硝酸钙、乙酸钙、氯化钙、氢氧化钙、乳酸钙、葡萄糖酸钙中的一种或多种作为钙源；采用磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、焦磷酸、焦磷酸钠或三聚磷酸钠中的一种或多种作为磷源。

优选的，所述的羟基磷灰石的制备方法为水热法，具体包括以下步骤：将含有磷源的溶液滴加到含钙源的溶液中，同时滴加氨水控制溶液的pH在11；滴加完毕后，将混合液转移到内衬聚四氟乙烯的不锈钢高压水热釜中，进行水热反应；反应完毕后，冷却至室温，然后进行离心洗涤并烘干后，得到羟基磷灰石；其中：磷酸根和钙离子的摩尔比3:5；水热反应温度为140～180℃，反应时间为9～24h。

本发明这种室温氨气传感材料的制备方法，包括以下步骤：

1)黑磷烯的制备：将黑磷粉末置于含有NaOH的N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂中，接着将其置于冰水浴中超声处理，处理完毕后，进行第一次低速离心，得到的沉淀物为未完全剥离的黑磷，上清液为含有黑磷烯的分散液；将上清液进行第二次高速离心，沉淀物即为层数较少的黑磷烯，将黑磷烯用去离子和乙醇进行洗涤后，真空干燥，得到黑磷烯纳米片；