本發(fā)明屬于氣敏材料領(lǐng)域，具體涉及一種對(duì)丙酮?dú)怏w高靈敏度的介孔鐵酸鈷材料的合成和氣敏性能研究。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)的發(fā)展，環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重化。制備高靈敏度，選擇性好，響應(yīng)快速的氣敏材料受到了廣泛地關(guān)注。丙酮作為一種在化學(xué)領(lǐng)域常見的有機(jī)試劑和化學(xué)中間體，被廣泛地應(yīng)用在塑料、橡膠、油漆、染料和潤(rùn)滑劑等領(lǐng)域。然而丙酮對(duì)人體有一定的毒性，500～1000ppm之間會(huì)刺激鼻、喉，1000ppm時(shí)可致頭痛并有頭暈出現(xiàn)。當(dāng)環(huán)境中的丙酮濃度達(dá)到2000-10000ppm時(shí)，可能導(dǎo)致頭痛、支氣管炎，甚至是昏迷等癥狀。因此，為了防止丙酮濃度超標(biāo)，提早預(yù)警，制備出能快速，靈敏地檢測(cè)出環(huán)境中丙酮濃度的氣敏材料來保證我們工作環(huán)境的安全和人體的健康變得迫在眉睫。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明涉及一種對(duì)丙酮?dú)怏w響應(yīng)快速、高靈敏度和具有優(yōu)異的選擇性的對(duì)丙酮?dú)怏w高靈敏度的介孔鐵酸鈷材料的制備方法和應(yīng)用。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種對(duì)丙酮?dú)怏w具有高靈敏度的介孔鐵酸鈷材料的制備方法。具體包括以下步驟：

1）將乙酸鈉固體溶解乙二醇中，攪拌均勻，形成乙酸鈉的乙二醇混合溶液。

2）向乙酸鈉的乙二醇混合溶液加入含有fe³⁺的鹽和含有co²⁺的鹽，得到混合溶液；其中fe³⁺，co²⁺和乙酸鈉的摩爾比為2：1：15。

3）將混合溶液置于反應(yīng)釜中在180℃下反應(yīng)24h，得到固態(tài)的反應(yīng)產(chǎn)物。

4）用乙醇清洗反應(yīng)產(chǎn)物若干次后，再用去離子水清洗若干次，然后干燥至恒重，即得到介孔鐵酸鈷材料。

為了得到高靈敏度，響應(yīng)快速，選擇性好的鐵酸鈷氣敏材料，本發(fā)明采用水熱法，成功地制備出了對(duì)丙酮?dú)饷粜阅軆?yōu)異的介孔鐵酸鈷材料。與現(xiàn)有的氣敏材料相比，具有超高的氣體敏感度，快速的響應(yīng)和良好的選擇性等諸多優(yōu)點(diǎn)。之所以會(huì)產(chǎn)生介孔結(jié)構(gòu)原因是：由于在反應(yīng)釜的高溫高壓環(huán)境中，產(chǎn)物的生成過程中有氣體小分子產(chǎn)生氣泡，從而導(dǎo)致了產(chǎn)物擁有介孔結(jié)構(gòu)。

介孔鐵酸鈷材料在氣體敏感度檢測(cè)上的應(yīng)用，是利用表面覆著介孔鐵酸鈷的氣敏元件針對(duì)空氣中丙酮含量進(jìn)行氣體敏感度檢測(cè)，所述的介孔鐵酸鈷層由上述制備的介孔鐵酸鈷材料構(gòu)成。

表面覆著介孔鐵酸鈷的氣敏元件采用以下方法制成：

（1）將介孔鐵酸鈷材料與松油醇混合，得到粘稠的漿液。

（2）將漿液均勻的涂抹在氧化鋁陶瓷管上，再將該氧化鋁陶瓷管置于60℃環(huán)境下干燥，以去掉松油醇，得到表面覆著介孔鐵酸鈷的氣敏元件。

（3）將表面覆著介孔鐵酸鈷的氧化鋁陶瓷管置于大氣環(huán)境中加熱至200℃并老化24h，以提高氣敏元件的穩(wěn)定性。

其中：步驟（2）所述的氧化鋁陶瓷管的兩端設(shè)置有金屬環(huán)，其長(zhǎng)度為4mm，直徑為1mm。

氣敏檢測(cè)的原理（示意圖如圖1所示）：在一定的溫度下，鐵酸鈷氣敏材料表面的氧氣分子將得到鐵酸鈷氣敏材料導(dǎo)帶層的電子，形成吸附性氧（o2^-,o^-,o^2-）。鐵酸鈷氣敏材料由于失去電子，使得電阻發(fā)生改變。當(dāng)目標(biāo)氣體加入后，與反應(yīng)活性高的吸附性氧反應(yīng)，并釋放出先前得到的電子返回到鐵酸鈷氣敏材料中，使得電阻恢復(fù)到最初的水平，氣體敏感度即為加入目標(biāo)氣體前后，鐵酸鈷氣敏材料的電阻值的比值。

與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

1、本發(fā)明制備的介孔鐵酸鈷材料對(duì)于丙酮?dú)怏w有著特別優(yōu)異的敏感度（在相對(duì)較低的溫度260℃，100ppm的丙酮濃度下，氣體敏感度高達(dá)226.9，是相同條件下，體材料的8.3倍）。

2、快速的響應(yīng)（響應(yīng)時(shí)間約為15秒）。

3、本發(fā)明制備的介孔鐵酸鈷氣敏元件相對(duì)于其他氣體（如氨水、甲醇等），對(duì)于丙酮?dú)怏w有著特別高的選擇性。

4、本發(fā)明采用水熱法制備介孔鐵酸鈷材料，使用設(shè)備小，綠色環(huán)保，易于實(shí)現(xiàn)，便于推廣。

附圖說明

圖1為氣敏檢測(cè)的工作原理示意圖；

圖2為本發(fā)明的表面覆著介孔鐵酸鈷層的氣敏元件實(shí)物圖；

圖3為本發(fā)明制備的介孔鐵酸鈷材料對(duì)丙酮的敏感度的溫度曲線；

圖4為本發(fā)明制備的介孔鐵酸鈷材料對(duì)丙酮的敏感度的濃度曲線；

圖5為本發(fā)明制備的介孔鐵酸鈷材料對(duì)丙酮濃度10-80ppm的敏感度曲線；

圖6為本發(fā)明制備的介孔鐵酸鈷材料對(duì)不同氣體的敏感度對(duì)比圖。

附圖中：bulk代表實(shí)施例二制備的鐵酸鈷體材料。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

實(shí)施例一

采用以下方法制備介孔鐵酸鈷材料：

1）將15mmol乙酸鈉固體溶解在25ml的乙二醇中，攪拌均勻，形成混合溶液a；

2）將2mmol氯化鐵和1mmol的氯化鈷加入到混合溶液a中，混合均勻后，形成混合溶液b；

3）將混合溶液b裝入聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，在180℃下反應(yīng)24小時(shí)；

4）最終產(chǎn)物再分別用乙醇和去離子水進(jìn)行洗滌，再放入60℃干燥箱中干燥至恒重。

制備氣敏元件：

1）將介孔鐵酸鈷材料與松油醇混合，得到粘稠的漿液。

2）將漿液均勻的涂抹在氧化鋁陶瓷管表面，再將該陶瓷管置于60℃環(huán)境下干燥，以去掉松油醇，得到表面覆著介孔鐵酸鈷層的氣敏元件。

3）將表面覆著介孔鐵酸鈷層的氣敏元件置于大氣環(huán)境中加熱至200℃并老化24h，以提高氣敏元件的穩(wěn)定性。

實(shí)施例二

采用以下方法制備鐵酸鈷體材料：

1）將2mmol氯化鐵和1mmol的氯化鈷加入到25ml的乙二醇中，形成混合溶液c；

2）將混合溶液c陳化，再烘干焙燒就得到了鐵酸鈷體材料。

制備氣敏元件：

1）將鐵酸鈷體材料與松油醇混合，得到粘稠的漿液。

2）將漿液均勻的涂抹在氧化鋁陶瓷元件上，再將該陶瓷管置于60℃環(huán)境下干燥，以去掉松油醇，得到表面覆著鐵酸鈷體材料的氣敏元件。

3）將表面覆著鐵酸鈷體材料的氣敏元件置于大氣環(huán)境中加熱至200℃并老化24h，以提高氣敏元件的穩(wěn)定性。

實(shí)施例三

氣體敏感度測(cè)試的溫度范圍為200~340℃；氣體敏感度測(cè)試的濃度范圍為10~500ppm。分加以實(shí)施例一、二制備的表面覆著介孔鐵酸鈷的氣敏元件和表面覆著鐵酸鈷體材料的氣敏元件進(jìn)入檢測(cè)。

通入含有丙酮的氣體，并逐漸升溫，以考察表面覆著介孔鐵酸鈷的氣敏元件在不同溫度下對(duì)丙酮的敏感度，其敏感度變化曲線如圖3所示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，在260℃時(shí)，對(duì)丙酮的氣體敏感度最高。將工作溫度保持在260℃，通入不同濃度的丙酮?dú)怏w，以考察不同丙酮濃度對(duì)氣敏元件敏感度的影響。其曲線如圖4所示，其中10-80ppm的敏感度變化曲線見圖5。再分別通入含有氨水、苯、丙酮、甲苯、甲醇、甲醛和乙醇的氣體，以對(duì)比介孔鐵酸鈷和體材料在不同氣體氣氛下的敏感度，其敏感度的柱狀圖如圖6所示。

上述氣敏實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本發(fā)明的介孔鐵酸鈷材料對(duì)丙酮有良好的氣體敏感性，是一種優(yōu)異的氣敏材料。

實(shí)施例一制備的介孔鐵酸鈷的檢測(cè)指標(biāo)列于表1。

表1介孔鐵酸鈷的檢測(cè)指標(biāo)

本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其他不同形式的變化和變動(dòng)。這里無法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引申出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。