稀土摻雜ZnO納米晶溫、濕度傳感材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種溫度和濕度雙重傳感材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 溫度和濕度是非常重要的物理參數(shù)，溫、濕度的測量與日常生活密切相關(guān)，在工農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)、氣象預(yù)報、氣候分析、環(huán)境監(jiān)測、軍事及航空航天等領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。作為 溫度和濕度測量的核屯、部分一-溫度和濕度敏感材料，不僅需要具有高的溫度和濕度傳感 特性，同時具備溫、濕度雙重傳感特性的敏感材料也是多參數(shù)檢測的發(fā)展需求。溫度敏感材 料是利用物質(zhì)各種物理性質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律，把溫度轉(zhuǎn)換為其它可測量量的材料。濕度 敏感材料是利用材料吸附水分子前后物理或化學(xué)特性的變化來測量濕度的變化。溫、濕度 敏感材料的種類、尺度W及結(jié)構(gòu)對傳感性能的優(yōu)劣起著至關(guān)重要的作用。隨著納米科學(xué)技 術(shù)的快速發(fā)展，具有高比表面積、量子尺寸效應(yīng)W及小尺寸效應(yīng)等諸多結(jié)構(gòu)特性納米材料 的出現(xiàn)，為發(fā)展新一代高性能傳感器帶來了新的契機(jī)。目前，同時具備溫、濕度雙重傳感特 性的敏感材料較少，且溫度靈敏度和濕度響應(yīng)范圍、響應(yīng)速度等性能還不理想。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種同時具備優(yōu)良溫度靈敏度和濕度響應(yīng)范圍、響應(yīng)速度等 傳感特性的稀上滲雜ZnO納米晶溫、濕度傳感材料及制備方法。
[0004] 本發(fā)明的稀±滲雜化0納米晶溫、濕度傳感材料，是一種WZnO的原材料與巧鹽及 鏡鹽W100:2:20摩爾比進(jìn)行快速反應(yīng)獲得的單分散納米球狀稀±離子滲雜ZnO納米晶溫、 濕度傳感材料。其中ZnO原材料是醋酸鋒和硝酸鋒中的一種，巧鹽及鏡鹽為硝酸鹽、鹽酸鹽 及醋酸鹽中的一種。
[0005] 本發(fā)明的稀±滲雜ZnO納米晶溫、濕度傳感材料的制備方法如下：
[0006] 1)稱取化0的原材料與稀±巧鹽及鏡鹽，WZn2+離子的摩爾濃度比0.Immol/L將 它們加到有機(jī)溶劑二甘醇中，并攬拌至完全溶解。
[0007] 2)然后將步驟1)中得到的溶液裝入帶有回流裝置的微波反應(yīng)器中，在常壓下W 60~100°C/min的速率快速升溫至120~180°C，并在該溫度保持5分鐘。
[0008] 3)保溫結(jié)束后冷卻至室溫，將步驟2制得的懸濁液進(jìn)行離屯、分離，去掉上清液得 至IJ納米晶粉末，然后按照濃度比例為0. 5g/L將粉末放入無水乙醇中超聲處理20分鐘。
[0009] 4)將步驟3)中制得的懸濁液進(jìn)一步離屯、分離，去掉上清液，在干燥箱中W100°C 干燥2小時，得到稀±滲雜ZnO納米晶溫、濕度傳感材料。
[0010] 本發(fā)明的稀±滲雜ZnO納米晶材料是一種粒徑分布較均勻的圓球形納米材料，稀 ±巧、鏡離子均勻滲雜于ZnO納米球中，在976nm激光激發(fā)下，稀±巧、鏡離子滲雜ZnO納米 晶材料能夠發(fā)出人眼可見的綠色上轉(zhuǎn)換發(fā)光。稀±滲雜上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的發(fā)光特性與溫度 關(guān)系密切，因此稀±滲雜ZnO納米晶材料可作為一種溫度傳感材料。由于稀±滲雜ZnO納 米球尺寸較小，表面積較大，具有較強(qiáng)的吸水特性，還可作為一種濕度傳感材料。因此，本發(fā) 明的稀±滲雜ZnO納米晶有望成為一種同時具備溫度和濕度傳感特性的溫、濕度雙重傳感 材料。 W11] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0012] 1)本發(fā)明的產(chǎn)品是一種靈敏度高且穩(wěn)定性優(yōu)異的同時具備溫度和濕度傳感特性 的稀±滲雜ZnO納米晶材料，它能在300~650K溫度范圍和相對濕度11~95%全范圍做 出快速響應(yīng)；
[0013] 2)本發(fā)明的制備工藝簡單，容易操作，成本低廉，速度快，適合批量生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例1所制備的溫、濕度傳感材料的掃描電子顯微鏡照片圖；
[0015] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1所制備的溫、濕度傳感材料的X射線衍射譜圖；
[0016] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例1所制備的溫、濕度傳感材料在976nm激光激發(fā)下的室溫上 轉(zhuǎn)換發(fā)光光譜圖；
[0017] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例1所制備的溫、濕度傳感材料在976nm激光激發(fā)下的不同溫 度下的上轉(zhuǎn)換發(fā)光光譜圖；
[0018] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例1所制備的溫、濕度傳感材料的綠色上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度比與溫 度之間的關(guān)系曲線圖；
[0019] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例1所制備的溫、濕度傳感材料溫度傳感靈敏度隨溫度的變化 曲線圖；
[0020] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例1所制備的溫、濕度傳感材料阻抗隨相對濕度的變化曲線 圖；
[0021] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例1所制備的溫、濕度傳感材料的濕度傳感動力學(xué)曲線圖；
[0022] 圖9為本發(fā)明實(shí)施例1所制備的溫、濕度傳感材料的濕度傳感響應(yīng)-恢復(fù)曲線圖；
[0023] 圖10為本發(fā)明實(shí)施例1所制備的溫、濕度傳感材料的濕度傳感響應(yīng)-恢復(fù)循環(huán)曲 線圖；
[0024] 圖11為本發(fā)明實(shí)施例1所制備的溫、濕度傳感材料的濕滯曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面W具體實(shí)施例的方式對本發(fā)明作進(jìn)一步說明： 陽0%] 實(shí)施例1:
[0027]分別稱取1. 0975mg醋酸鋒狂n(OAc)2?2&0)、0.0443mg硝酸巧巧r(N03)3?5&0)和0. 4490mg硝酸鏡燈b(N03)3.5&0)，將上述稱取的物料溶解于50mL二甘醇值EG)中并攬 拌至完全溶解，然后裝入帶有回流裝置的微波反應(yīng)器中，在常壓下Wl〇〇°C/min的速率升 溫至150°C，并在該溫度保持5分鐘。保溫結(jié)束后冷卻至室溫，將上述制得的懸濁液進(jìn)行離 屯、分離，去掉上清液，然后按照濃度比例為0. 5g/L放入無水乙醇溶液中超聲處理10分鐘； 將上面步驟制得的乙醇懸濁液進(jìn)一步進(jìn)行離屯、分離，去掉上清液，在干燥箱中Wl〇〇°C干燥 2小時，得到稀±滲雜化0納米晶材料。 陽02引 實(shí)施例2:
[0029]分別稱取1. 4875mg硝酸鋒狂n (N03)2?6&0)、0.0416mg醋酸巧巧r(OAc)3?他2〇) 和0. 4222mg醋酸鏡燈b(0Ac)3 ?他2〇)，將上述稱取的物料溶解于50血二甘醇值EG)中并 攬拌至完全溶解，然后裝入帶有回流裝置的微波反應(yīng)器中，在常壓下W8(TC/min的速率升 溫至180°C，并在該溫度保持5分鐘。保溫結(jié)束后冷卻至室溫，將上述制得的懸濁液進(jìn)行離 屯、分離，去掉上清液，然后按照濃度比例為0. 5g/L放入無水乙醇溶液中超聲處理10分鐘； 將上面步驟制得的乙醇懸濁液進(jìn)一步進(jìn)行離屯、分離，去掉上清液，在干燥箱中Wl〇〇°C干燥 2小時，得到稀±滲雜化O納米晶材料。
[0030] 從圖1所示的本實(shí)施例1所制備的溫、濕度傳感材料的掃描電子顯微鏡照片圖可W看出，所制得的稀±滲雜ZnO是單顆粒分散且粒徑為200nm~450nm的球形粒子。從 圖2所示的本實(shí)施例1所制備的溫、濕度傳感材料的X射線衍射譜圖可W看出，稀±滲 雜ZnO納米晶材料是由六方相化0CJCPDSNo. 36-1451)和少量體屯、立方相孔203(JCPDS No. 41-1106)組成。從圖3所示的本實(shí)施例1所制備的溫、濕度傳感材料在976nm激光激 發(fā)下的室溫上轉(zhuǎn)換發(fā)光光譜圖可W看出，在976nm激光激發(fā)下，稀±滲雜ZnO納米晶材料 在500~700nm波段范圍內(nèi)分別發(fā)射出綠色和紅色上轉(zhuǎn)換發(fā)光，分別對應(yīng)于化離子的 也/25/2，％/2一 和申9々一 ％5/2躍遷，其中500~580nm的綠色上轉(zhuǎn)換發(fā)光最強(qiáng)。 從圖4所示的本實(shí)施例1所制備的溫、濕度傳感材料在976nm激光激發(fā)下的不同溫度下的 上轉(zhuǎn)換發(fā)光光譜圖可W看出，材料所處的溫度不改變其發(fā)光波段，但對其發(fā)光強(qiáng)度有顯著 影響，綠色和紅色上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度均隨著溫度的升高而下降。從圖5所示的本實(shí)施例1所制 備的溫、濕度傳感材料兩個綠色上轉(zhuǎn)換發(fā)光（咱。/2一4Iiw和4S3/2一 4Ii5/2)的強(qiáng)度比巧Qh/ Is))和溫度訊之間的關(guān)系曲線可W看出，兩個綠色上轉(zhuǎn)換發(fā)光的強(qiáng)度比R(IhAs)和溫度 T之間很好地滿足關(guān)系式
其中擬合的參數(shù)C= 4. 54,AEA= 759,呈現(xiàn) 出良好的溫度傳感特性。從圖6所示的本實(shí)施例1所制備的溫、濕度傳感材料的溫度傳感 靈敏度（dR/dT))和溫度（T)之間的關(guān)系曲線可W看出，溫度傳感靈敏度隨溫度升高呈現(xiàn)先 增大后減小的趨勢，其中在379. 5K溫度時具有最大靈敏度0. 0032K1。從圖7所示的本實(shí) 施例1所制備的溫、濕度傳感材料的阻抗隨相對濕度變化曲線圖可W看出該材料的阻抗隨 濕度變化明顯，跨越了 4個數(shù)量級，并且呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。從圖8所示的本實(shí)施例1 所制備的溫、濕度傳感材料的濕度傳感動力學(xué)曲線圖可W看出，該材料在不同濕度下連續(xù) 工作，仍然保持良好的性能。從圖9所示的本實(shí)施例1所制備的溫、濕度傳感材料的濕度傳 感響應(yīng)-恢復(fù)曲線圖可W看出，該材料從11%RH到95%RH的響應(yīng)時間為12s，從95%RH 到11%RH的恢復(fù)時間為28s。從圖10所示的本實(shí)施例1所制備的溫、濕度傳感材料的濕 度傳感響應(yīng)-恢復(fù)循環(huán)曲線圖可W看出，該材料具有較高的濕度傳感穩(wěn)定性。從圖11所示 的本實(shí)施例1所制備的溫、濕度傳感材料的濕滯曲線圖可W看出，該材料具有優(yōu)良的濕敏 吸附脫附性能，可W反復(fù)使用。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種稀土摻雜ZnO納米晶溫、濕度傳感材料，其特征在于：它是一種以ZnO的原材料 與鉺鹽及鐿鹽以100:2:20摩爾比進(jìn)行快速反應(yīng)獲得的具備溫度和濕度傳感特性的單分散 納米球狀稀土離子摻雜ZnO納米晶材料。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的稀土摻雜ZnO納米晶溫、濕度傳感材料，其特征在于：ZnO的 原材料是醋酸鋅和硝酸鋅中的一種。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的稀土摻雜ZnO納米晶溫、濕度傳感材料，其特征在于：鉺鹽及 鐿鹽為硝酸鹽、鹽酸鹽及醋酸鹽中的一種。4. 權(quán)利要求1所述的稀土摻雜ZnO納米晶溫、濕度傳感材料的制備方法，其特征在于： 具體步驟如下： 1) 稱取ZnO的原材料與稀土鉺鹽及鐿鹽，以Zn2+離子的摩爾濃度比0.lmmol/L將它們 加到有機(jī)溶劑二甘醇中，并攪拌至完全溶解； 2) 然后將步驟1)中得到的溶液裝入帶有回流裝置的微波反應(yīng)器中，在常壓下以60~ 100°C/min的速率快速升溫至120~180°C，并在該溫度保持5分鐘； 3) 保溫結(jié)束后冷卻至室溫，將步驟2)制得的懸濁液進(jìn)行離心分離，去掉上清液得到納 米晶粉末，然后按照濃度比例為〇. 5g/L將粉末放入無水乙醇中超聲處理20分鐘； 4) 將步驟3)中制得的懸濁液進(jìn)一步離心分離，去掉上清液，在干燥箱中以100°C干燥 2小時，得到稀土摻雜ZnO納米晶溫、濕度傳感材料。
【專利摘要】一種稀土摻雜ZnO納米晶溫、濕度傳感材料是ZnO的原材料與鉺鹽及鐿鹽以100:2:20摩爾比進(jìn)行快速反應(yīng)獲得的具備溫度和濕度傳感特性的單分散納米球狀稀土離子摻雜ZnO納米晶材料，其制備方法如下：將ZnO的原材料與稀土鉺鹽及鐿鹽加到有機(jī)溶劑二甘醇中，然后將得到的溶液裝入帶有回流裝置的微波反應(yīng)器中，在常壓下以60～100℃/min的速率快速升溫至120～180℃，并在該溫度保持5分鐘，將上述制得的懸濁液進(jìn)行離心分離，將所得到的納米晶粉末放入無水乙醇中超聲20分鐘并去掉上清液，然后干燥2小時。該制備方法工藝簡單、容易操作、成本低廉、速度快，并且所制備的單分散納米球狀稀土摻雜ZnO納米晶同時具有高的溫度和濕度傳感特性。
【IPC分類】C09K11/54, G01D21/02, C09K11/78
【公開號】CN105295902
【申請?zhí)枴緾N201510694729
【發(fā)明人】曹保勝
【申請人】大連民族大學(xué)
【公開日】2016年2月3日
【申請日】2015年10月22日