In<sub>2</sub>O<sub>3</sub>微米花/SnO<sub>2</sub>納米粒子復(fù)合材料的乙醇氣體 ...的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于In2〇3微米花/SnO 2納米粒子 復(fù)合材料的己醇氣體傳感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 有機蒸汽指的是含有芳香姪、硝基姪、面代姪、長鏈燒姪、醇、離、酬、脂、阱等類有 機化合物的氣體，基本上都是有毒、易燃易爆氣體。對于危害人類生存和健康的氣體，它們 一旦超過允許濃度，即會對人體產(chǎn)生不良影響。己醇是重要的化工原料和溶劑，易揮發(fā)易 燃，在生產(chǎn)和使用過程中，若操作不當而造成大量的己醇蒸發(fā)或泄漏，會引起燃燒或爆炸事 故，給國家和個人的生命及財產(chǎn)安全造成損失。大多數(shù)人具有飲酒的習(xí)慣，但是若飲酒過 量，會使人的控制能力下降，輕則失態(tài)，重則可導(dǎo)致身體傷害，甚至死亡。若司機醜酒而造成 交通事故，將會危及到更多人的生命安全及造成損失。因此，在各種公共場所、交通部口、 汽車行業(yè)、化工廠、食品廠、飲料廠等都需要攜帶方便、價格低廉、敏感性能好的酒精敏感元 件，開發(fā)研究具有高靈敏度和選擇性的低濃度己醇傳感器就有著非常重要的意義。
[0003] 自20世紀60年代人們利用金屬氧化物半導(dǎo)體研制出可燃氣體傳感器后，氧化物 氣體傳感器就得到了迅速發(fā)展。近年來，傳感器發(fā)展的重點集中在考慮響應(yīng)時間、制作成本 和保證壽命的前提下提高氣敏元件的靈敏度、穩(wěn)定性、選擇性并擴大氣體檢測范圍。對一個 氣敏傳感器來說，其性能優(yōu)異的關(guān)鍵取決于氣敏材料的好壞，而且氣敏反應(yīng)是發(fā)生在半導(dǎo) 體表面的氣一固界面反應(yīng)，因此，氣敏材料的組成結(jié)構(gòu)、微觀形貌和具有催化活性的表面物 質(zhì)的修飾滲雜往往成為決定氣體傳感器性能的最關(guān)鍵因素。研究表明，可W通過表面修飾 滲雜另一種金屬氧化物的方法對氣敏傳感器進行改性，提高氣敏傳感器的選擇性，同時可 W降低工作溫度，提高靈敏度、氣敏材料的熱穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性，減少響應(yīng)時間和恢復(fù)時 間。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明的目的是研制有高靈敏度和高選擇性的基于In2〇3微米花/SnO 2納米粒子 復(fù)合材料的己醇氣體傳感器及其制作方法，并提供一種新型的In2〇3微米花/SnO 2納米粒子 復(fù)合材料的形成方法。
[0005] 本發(fā)明中所設(shè)及的傳感器采用旁熱式結(jié)構(gòu)，由外表面帶有2個彼此平行且分立的 環(huán)狀金電極的絕緣氧化侶陶瓷管襯底、涂覆在絕緣氧化侶陶瓷管襯底外表面和金電極上的 半導(dǎo)體金屬氧化物氣體敏感材料和置于絕緣陶瓷管內(nèi)的鑲銘合金加熱線圈組成，每個金電 極上均帶有銷絲導(dǎo)線；其特征在于；半導(dǎo)體金屬氧化物氣體敏感材料為In2〇3微米花/SnO 2 納米粒子復(fù)合材料，其由如下步驟制備得到：
[0006] (1)稱取 0. 36 ?0. 40g In (N03) 3 *4. 5&0,0. 14g ?0. 16g 尿素，溶解于 34 ?38mL 去離子水中，室溫下攬拌直至澄清，將所得溶液移入水熱蓋中，水熱蓋容量為50mL，140? 180°C反應(yīng)2?化，冷卻至室溫后，通過離屯、得到沉淀，即得到1叫〇3微米花前驅(qū)物；
[0007] 似稱取0. 5g?0. 6SnCl4 ? 5&0,0. 5?0. 7g CTAB (十六燒基立甲基漠化錠）W 及0. 15'O.Sg HMT (環(huán)六亞甲基四胺），溶解于40血溶劑中（去離子水與無水己醇的混合， 去離子水與無水己醇均為20mL)，室溫下攬拌直至澄清，將所得溶液移入水熱蓋中，水熱蓋 容量為50血，160?200°C反應(yīng)2?化，冷卻至室溫后，通過離屯、得到沉淀，即得到Sn化納 米粒子前驅(qū)物；
[000引 做將所得兩種前驅(qū)物，450?500°C下鍛燒2?化，即得到1叫03微米花和Sn02納 米粒子；
[0009] (4)將Iri2〇3微米花和SnO 2納米粒子按照一定質(zhì)量比超聲混合，混合物中SnO 2質(zhì) 量分數(shù)為30 %?45%，即得到In2〇3微米花/SnO 2納米粒子復(fù)合材料，混合時在超聲的環(huán)境 下進行，W使得混合更均勻，更分散。
[0010] 傳感器在工作時，鑲銘合金加熱線圈通W直流電來提供工作溫度，通過測量不同 氣氛中兩個金電極間直流電阻的阻值實現(xiàn)測量己醇蒸汽濃度（lOOppm?lOOOppm)的功能。 靈敏度的得到即是通過空氣中器件的阻值和己醇蒸汽中器件的阻值的比值計算出來。己醇 氣體濃度越大，傳感器測量得到的靈敏度越高。利用In2〇3微米花與Sn〇2納米粒子質(zhì)量比為 2;1復(fù)合的1112〇3微米花/511〇2納米粒子復(fù)合材料，最佳工作溫度約為25〇1：，在此溫度下， 對于10化pm的己醇，靈敏度可達到53. 2,相比于未與Sn〇2納米粒子復(fù)合的In 2〇3微米花制 作的己醇傳感器靈敏度大幅提高，前者靈敏度約為后者的9. 5倍。
[0011] 敏感元件各部主要參數(shù)為：
[001引絕緣氧化侶陶瓷管襯底的內(nèi)徑為1. 5?1. 8mm，外徑為2. 2?2. 5mm，長度為4? 5mm ;其上自帶有兩條相互平行的環(huán)狀金電極，單個電極寬度為0. 6?0. 8mm，兩電極間距為 0. 8?1. 2mm ;金電極上引出的銷絲導(dǎo)線長度為4?6mm ;鑲銘合金加熱線圈的應(yīng)數(shù)為50? 60應(yīng)，阻值為30?40 Q。
[0013] In2〇3微米花/SnO 2納米粒子復(fù)合材料作為敏感材料，附著在絕緣氧化侶陶瓷管襯 底的外表面，其厚度約為400?500 y m。
[0014] 本發(fā)明中所采用的水熱方法主要包括W下步驟，首先配制好前驅(qū)液，隨后將前驅(qū) 液倒進水熱蓋中，一定溫度下反應(yīng)后，冷卻水熱蓋至室溫并靜置一段時間使生成物沉淀，去 除上清液即得到水熱產(chǎn)物。
[0015] 本發(fā)明中基于Iri2〇3微米花/SnO 2納米粒子復(fù)合材料的己醇氣體傳感器的制作方 法為：
[0016] (1)將Iri2〇3微米花/SnO 2納米粒子復(fù)合材料10?ISmg與去無水己醇0. 5?1血 混合，均勻調(diào)成漿料；
[0017] (2)將上述漿料均勻地涂在絕緣氧化侶陶瓷管襯底與金電極的表面，在紅外燈下 干燥2?化，干燥后1叫〇3微米花/SnO 2納米粒子復(fù)合材料薄膜的厚度為400?500 y m，然 后在400?500°C下燒結(jié)2?化；
[001引 （3)最后將器件在200?400°C空氣環(huán)境中老化5?7天，即制備得到基于1叫化 微米花/Sn02納米粒子復(fù)合材料的己醇氣體傳感器。
[0019] 工作原理；
[0020] 當In2〇3微米花/SnO 2納米粒子復(fù)合材料己醇氣體傳感器置于空氣中時，氧氣分子 吸附在傳感器表面，并被來自In2〇3微米花/SnO 2納米粒子復(fù)合材料導(dǎo)帶的電子離子化形成 氧負離子化^，(T，或妒0。在該個過程中，氧氣作為電子受主使傳感器電子濃度降低且電阻 升高。當傳感器在一定合適溫度下接觸己醇氣體時，己醇氣體分子將與傳感器表面吸附的 氧負離子反應(yīng)（見公式1)，導(dǎo)致被氧負離子捕獲的電子重新釋放到In2〇3微米花/SnO 2納米 粒子復(fù)合材料導(dǎo)帶中，從而降低了測量電阻。材料電阻率的變化通過傳感器轉(zhuǎn)化為電信號 被測量端接收，從而達到檢測己醇的目的。
[002U CaHsOH+Os-一 CH 3邸0+&0+6-
[00巧本發(fā)明優(yōu)點；
[0023] (1)本發(fā)明制備的In2〇3微米花/SnO 2納米粒子復(fù)合材料具有較大的BET比表面積 (34. 4mVg)，均一的尺寸分布，為該己醇傳感器提供了一種有效的敏感材料；所采用的制備 方法步驟簡單，不需要昂貴的設(shè)備，成本低。
[0024] 似本發(fā)明利Sn化納米粒子作為主體氣體敏感材料In2〇3的催化劑，提高材料的氧 化活性，使傳感器靈敏度大幅提高，如實施例所述，靈敏度由原來的5. 6提升至53. 2,提高 倍數(shù)約為8. 5倍。
[0025] (3)本發(fā)明利用Iri2〇3微米花/SnO2納米粒子復(fù)合材料有利于己醇氣體分子在其表 面?zhèn)鬏?，能夠快速吸附與脫附的特性，使傳感器響應(yīng)、恢復(fù)速度加快。
[0026] (4)本發(fā)明制作的In2〇3微米花/SnO 2納米粒子復(fù)合材料己醇氣體傳感器結(jié)構(gòu)緊 湊，最大地利用加熱絲各個方向的熱能，提高了熱能利用率。
[0027] 妨本發(fā)明制作的Iri2〇3微米花/SnO2納米粒子復(fù)合材料己醇氣體傳感器制作工藝 簡單，廉價且適合工業(yè)上批量生產(chǎn)。
【附圖說明】
[002引圖1為本發(fā)明的Iri203微米花/SnO 2納米粒子沈M圖（C圖）和單獨的SnO 2納米粒 子、1叫03微米花沈M圖（a圖和b圖）。
[0029] 圖2為本發(fā)明的基于In2〇3微米花/SnO2納米粒子己醇氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030] 圖3為1叫〇3微米花/SnO 2納米粒子復(fù)合結(jié)構(gòu)己醇氣體傳感器（S1型）、SnO 2納米 粒子己醇氣體傳感器（SO型）與In2〇3微米花己醇氣體傳感器在10化pm己醇氣氛中靈敏度 隨溫度變化的柱狀圖。
[003U 圖4為1叫03微米花/51102納米粒子復(fù)合結(jié)構(gòu)己醇氣體傳感器61型）在2501：工 作溫度下，對不同濃度的丙酬氣體靈敏度變化曲線。
[00對如圖1中Iri203微米花/SnO 2納米粒子復(fù)合材料和單獨的SnO 2納米粒子、In 203微 米花SEM圖所示，在In203微米花與SnO 2納米粒子兩種材料復(fù)合之后，材料表面形貌沒有發(fā) 生明顯變化，但是通透性更佳，而且兩種材料形成了異質(zhì)結(jié)，有利于傳感器靈敏度的提高。
[0033] 如圖2所