一种低浓度丙酮气体敏感材料、及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种低浓度丙酮气体敏感材料、及其制备方法和应用 (Low-concentration acetone gas sensitive material, and preparation method and application thereof ) 是由 不公告发明人 于 2021-07-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低浓度丙酮气体敏感材料、及其制备方法和应用,涉及气敏材料制备技术领域。气敏材料由纳米二氧化锡单晶颗粒团聚组成,单晶颗粒的尺寸为20-50nm；制备方法报包括分别将Sn基金属盐和沉淀剂溶于乙醇与甲醇的混合溶液中,形成澄清溶液A和澄清溶液B；将澄清溶液A滴入澄清溶液B中,充分静置,得到Sn基前驱体沉淀物,并得到均匀的Sn基前驱体；将Sn基前驱体进行洗涤,并干燥；干燥后进行研磨并煅烧,得到二氧化锡气敏材。本发明通过通过乙醇/无水乙醇与甲醇的混合溶液作为溶剂,避免制备所得产物中含有煅烧不易去除的大分子杂质。(The invention discloses a low-concentration acetone gas sensitive material, and a preparation method and application thereof, and relates to the technical field of gas sensitive material preparation. The gas sensitive material is formed by agglomeration of nano tin dioxide single crystal particles, and the size of the single crystal particles is 20-50 nm; the preparation method comprises the steps of respectively dissolving Sn-based metal salt and a precipitator in a mixed solution of ethanol and methanol to form a clear solution A and a clear solution B; dripping the clear solution A into the clear solution B, and fully standing to obtain Sn-based precursor precipitate and obtain a uniform Sn-based precursor; washing and drying the Sn-based precursor; and grinding and calcining the dried product to obtain the tin dioxide gas sensitive material. According to the invention, the mixed solution of ethanol/absolute ethanol and methanol is used as a solvent, so that the prepared product is prevented from containing macromolecular impurities which are difficult to remove by calcination.)
技术领域
本发明属于气敏材料制备技术领域，特别是涉及一种低浓度丙酮气体敏感材料、及其制备方法和应用。
背景技术
电阻型半导体气体传感器是目前应用最广泛的一类气体传感器，具有成本低、响应快、体积小、灵敏度高等诸多优势。但目前气体传感存在功耗高、检测范围受限的缺点。发展高性能、低功耗的气体传感器具有重要意义。气敏材料是气体传感器实现功能性检测的关键。目前，Sn基氧化物材料是已商品化的气敏材料，其检测气体种类广泛，但检测功耗大，选择性有待提升。
如中国授权公开号CN107607588A公开了一种用于气敏传感器的被修饰SnO2纳米材料，制备方法是：以无水四氯化锡为原料，去离子水和N,N-二甲基甲酰胺为溶剂，与辅助剂预混后将溶液升温，反应得到SnO2纳米材料，将SnO2纳米材料与尿素混合均匀后热处理，制得g-C3N4修饰的SnO2纳米材料；且辅助剂为1-甲基咪唑，2-甲基咪唑，1,2-甲基咪唑中的一种或其组合。
上述文件的制备方法存在，由于采用去离子水和N,N-二甲基甲酰胺为溶剂，使得后续获得的SnO2纳米材料中含有N,N-二甲基甲酰胺大分子杂质，容易导致后续煅烧不彻底，无法祛除N,N-二甲基甲酰胺大分子杂质。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低浓度丙酮气体敏感材料的制备方法，通过乙醇/无水乙醇与甲醇的混合溶液作为溶剂，解决了现有技术方案制备获得的SnO2纳米材料中含有大分子杂质的问题；该方法简便易行，成本低，收率高。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明为一种低浓度丙酮气体敏感材料，所述气敏材料由纳米二氧化锡单晶颗粒团聚组成，单晶颗粒的尺寸为20-50nm；所述气敏材料中还存在无规则的尺寸为10-30nm的介孔；该二氧化锡气敏材料可应用于丙酮气体检测领域。
一种低浓度丙酮气体敏感材料的制备方法，包括如下步骤：
Stp1、将Sn基金属盐溶于乙醇/无水乙醇与甲醇的混合溶液中，形成澄清溶液A；
Stp2、将沉淀剂溶于乙醇/无水乙醇与甲醇的混合溶液中，形成澄清溶液B；
Stp3、将澄清溶液A滴入澄清溶液B中，充分静置，得到Sn基前驱体沉淀物，通过静置沉淀，实现沉淀无杂质，并得到均匀的Sn基前驱体；
Stp4、对得到的Sn基前驱体沉淀物进行洗涤，并干燥；
Stp5、将Stp4干燥后的产物进行研磨并煅烧，得到二氧化锡气敏材料。
所述Sn基金属盐为Sn基硝酸盐或氯化盐。
所述沉淀剂为2-甲基咪唑，且所述沉淀剂与Sn基硝酸盐的用量摩尔比为1:2-1:6，通过2-甲基咪唑作为沉淀剂，实现得到的无机-有机前驱体经煅烧后形成空腔，可控制材料形貌结构；且得到的前驱体经煅烧后无杂质引入，氧化物纯度高。
所述乙醇/无水乙醇与甲醇的混合比为1-2:1-2。
所述Stp3中的充分静置的静置时间为12-24h，以保证反应充分进行。
所述Stp4中洗涤采用去离子水进行多次洗涤，通过多次洗涤，除去在反应过程中吸附在纳米颗粒上的甲醇、乙醇，避免甲醇、乙醇的吸附影响二氧化锡气敏材料的气敏度，同时洗涤温和。
进一步地，所述Stp5中煅烧的升温速率为1-5℃/min，煅烧环境为空气，煅烧温度为300-600℃。
由上所述的一种低浓度丙酮气体敏感材料的制备方法制备的二氧化锡气敏材料在传感器上的应用，用于丙酮气体检测气敏传感器。
进一步地，二氧化锡气敏材料在传感器上形成气敏传感层，所述气敏传感层的尺度为100-1000纳米，厚度为10-30纳米，长度达30-50微米。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过乙醇/无水乙醇与甲醇的混合溶液作为溶剂，避免制备所得产物中含有煅烧不易去除的大分子杂质；同时本发明制备所得二氧化锡气敏材料呈纳米颗粒状，单元颗粒小，比表面积大，提升了相关气体传感器选择性、降低功耗。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为二氧化锡气敏材料对丙酮的动态响应曲线；
图2为二氧化锡气敏材料的SEM图；
图3为二氧化锡气敏材料的氮气吸脱附图；
图4为本发明实施例1所制备的SnO2的乙醇气敏性能测试图；
图5为本发明实施例1所制备的SnO2的氢气气敏性能测试图。
具体实施方式
实施例1
称取1.381g SnCl2溶于20mL乙醇与20mL甲醇形成的混合溶液，形成均匀溶液A；称取2-甲基咪唑2.011g溶于20mL乙醇与20mL甲醇形成的混合溶液，形成均匀溶液B；将溶液A滴入溶液B，并静置24h，得到灰白色沉淀，采用去离子水洗涤并干燥，得到Sn基前驱体。
称取1.0g Sn基前驱体均匀铺散于石英舟，置于马弗炉中，2℃/min升温至500℃，保温2h，制得二氧化锡。
将本实施例得到的二氧化锡分散于乙醇中形成均匀分散液，并将材料滴涂于电极片形成简易传感器进行气敏性能评价。
图1所示为二氧化锡对丙酮的动态响应曲线，在350℃时，传感器对0.1ppm,1ppm,2ppm,20ppm,100ppm丙酮响应值(Rg/Ra×100％)为1.92％。
图2所示为本实施例得到的二氧化锡的SEM图，放大倍数为5k倍，材料呈颗粒状分布，且介孔的尺寸为16nm。
图3所示为本实施例得到的二氧化锡的氮气吸脱附图，可知材料为介孔结构。
取本发明实施例1制备的二氧化锡材料与现有二氧化锡材料进行测试，测试结果如下表所示：
由上可知，本发明制备的二氧化锡材料具有降低功耗的效果。平均能耗对比见上表所述，在进行实施例1样本对比中，选取市场上部竞品材料对应样本进行比较，在T0-T50、T0-T90、休眠待唤醒、连续监测、单周期监测等多种工况状态进行比较，实施例1样本综合能耗水平均显著优于现有竞品材料，这证明本发明材料在快速检测和综合能耗上具有显著的性能。
实施例2
称取1.38g SnCl2溶于20mL乙醇与20mL甲醇形成的混合溶液中，形成均匀溶液A；称取2-甲基咪唑2.01g溶于20mL乙醇与20mL甲醇形成的混合溶液中，形成均匀溶液B；将溶液A滴入溶液B，并静置24h，得到灰白色沉淀，采用去离子水洗涤并干燥，得到Sn基前驱体。
称取1.0g Sn基前驱体均匀铺散于石英舟，置于马弗炉中，2℃/min升温至500℃，保温2h，制得二氧化锡。
实施例3
称取0.92g SnCl2溶于10mL乙醇与10mL甲醇形成的混合溶液中，形成均匀溶液A；称取2-甲基咪唑2.01g溶于20mL乙醇与20mL甲醇形成的混合溶液中，形成均匀溶液B；将溶液A滴入溶液B，并静置24h，得到灰白色沉淀，采用去离子水洗涤并干燥，得到Sn基前驱体。
称取1.0g Sn基前驱体均匀铺散于石英舟，置于马弗炉中，2℃/min升温至400℃，保温2h，制得二氧化锡。
实施例4
一种低浓度丙酮气体敏感材料，气敏材料由纳米二氧化锡单晶颗粒团聚组成，单晶颗粒的尺寸为20-50nm；气敏材料中还存在无规则的尺寸为10-30nm的介孔。
二氧化锡气敏材料在传感器上的应用，用于丙酮气体检测气敏传感器；二氧化锡气敏材料在传感器上形成气敏传感层，气敏传感层的尺度为200纳米，厚度为20纳米，长度达35微米。
如图4所示，
在350℃时，传感器对100ppm乙醇响应值(Rg/Ra×100％)为12.01％。
如图5所示，
在350℃时，传感器对100ppm氢气响应值(Rg/Ra×100％)为4.50％。
综上图1、4和5可知，本发明制备的二氧化锡气敏材料对于丙酮的响应值低于对乙醇和氢气的响应，从而实现更精准的对丙酮进行检测。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
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