一种基于核壳分层结构二氧化锡-氧化铜复合纳米材料的VOCs气体传感器的制备及应用
阅读说明：本技术 一种基于核壳分层结构二氧化锡-氧化铜复合纳米材料的VOCs气体传感器的制备及应用 (Preparation and application of VOCs gas sensor based on core-shell layered structure tin dioxide-copper oxide composite nano material ) 是由 芦艳 马永华 于 2020-05-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了纳米功能材料、环境监测技术领域的一种基于核壳分层结构二氧化锡-氧化铜复合纳米材料的VOCs气体传感器的制备及应用,制备方法包括以下步骤：S1：Pd金属叉指电极的处理；S2：制备核壳分层结构二氧化锡-氧化铜复合纳米材料；S3：气敏材料的涂覆,将所述的VOCs气体传感器用于对不同浓度VOCs气体进行检测。制备方法简单,成本低廉,操作容易控制,具有较高的生产效率；缩小了传感器的体积；对VOCs气体具有灵敏度高,稳定性好检测速度快的特点。(The invention discloses a preparation method and application of a VOCs gas sensor based on a core-shell layered structure tin dioxide-copper oxide composite nanomaterial, belonging to the technical field of nano functional materials and environmental monitoring, wherein the preparation method comprises the following steps: s1: processing a Pd metal interdigital electrode; s2: preparing a core-shell layered structure tin dioxide-copper oxide composite nano material; s3: and coating a gas sensitive material, and using the VOCs gas sensor for detecting VOCs gases with different concentrations. The preparation method is simple, low in cost, easy to control in operation and high in production efficiency; the volume of the sensor is reduced; the method has the characteristics of high sensitivity, good stability and high detection speed for VOCs gas.)
技术领域
本发明涉及纳米功能材料、环境监测技术领域，具体为一种基于核壳分层结构二氧化锡-氧化铜复合纳米材料的VOCs气体传感器的制备及应用。
背景技术
空气污染与水污染、土壤污染是威胁人类正常生活的三大污染，近年来随着工业的发展、人口的增加空气污染变得越来越严重，特别是室内VOCs 污染，加之人们多数时间身处室内，VOCs超标已经严重威胁到普通人的健康生活。而VOCs污染中，又以甲醛含量超标为甚，医学研究表明，长期暴露在甲醛浓度高于0.1mg/m3的环境中，会导致人体患白血病几率的增加。因此实现对生产生活环境中的VOCs含量精准监测是一件急迫且意义重大的事情。
气体传感器是利用敏感材料直接吸附检测气体，使得材料的电学性质等发生变化，经过检测外围电路敏感元件的输出信号变化而检测气体浓度。由于用于气体传感的材料有很多，目前主要应用氧化物半导体敏感材料。不同形貌的氧化物半导体敏感材料对气敏性能有着很大的影响，因此往往通过合成不同形貌的敏感材料来改善气敏性能。除此之外，敏感材料的结构也对气敏性能有影响。
基于此，本发明设计了一种基于核壳分层结构二氧化锡-氧化铜复合纳米材料的VOCs气体传感器的制备及应用，以解决上述提到的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于核壳分层结构二氧化锡-氧化铜复合纳米材料的VOCs气体传感器的制备及应用，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于核壳分层结构二氧化锡-氧化铜复合纳米材料的VOCs气体传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1：Pd金属叉指电极的处理
首先分别用丙酮、乙醇棉球擦拭带有丝网印刷技术制备的pd金属叉指电极的Al2O3衬底至干净，再将Al2O3衬底依次置于丙酮、乙醇和去离子水中，分别超声清洗5～10分钟，最后在100～120℃环境下干燥；
S2：制备核壳分层结构二氧化锡-氧化铜复合纳米材料
S2.1：将乙酰丙酮铜和四氯化锡按照一定的摩尔比称量后，放入甲醇中充分溶解，将得到的混和溶液在一定温度下，进行溶剂热反应。
S2.2：溶剂热反应结束，自然冷却至室温后，将反应得到的产品过滤、洗涤后放入烘箱中烘干。
S2.3：上述干燥过后，将所得到的产品直接在马弗炉中煅烧，自然冷却后即制得核壳分层结构二氧化锡-氧化铜复合纳米材料。
S3：气敏材料的涂覆
将干燥后的核壳分层结构二氧化锡-氧化铜复合纳米材料放入研钵中，研磨20～30分钟；然后向研钵中滴入去离子水，再继续研磨20～30分钟，得到黏稠状的浆料；其用小毛刷沾取少量的浆料，涂覆在Pd金属插指电极上，然后将其在60～80℃烘干，得到厚度为2～4μm的核壳分层结构二氧化锡-氧化铜复合纳米材料气敏层；最后在相对湿度为40％RH、温度为20～35℃的环境中，将制备的器件在40～80mA的直流电下老化24～72小时，得到所述的基于核壳分层结构二氧化锡-氧化铜复合纳米材料的VOCs气体传感器。
优选的，所述Pd金属叉指电极的制备方法如下步骤：
采用丝网印刷技术制备pd金属叉指电极，按照油墨：pd粉：稀释剂的质量比为1：1：2的比例，搅拌调制成浆糊；然后将浆糊注入到带有叉指电极图案的丝网版上，在30°～45°的倾斜角度和5～10N压力条件下刮动浆糊，印制电极并烘干，紫外光固化后完成金属叉指电极的制备。
优选的，所述油墨型号采用佳华JX07500487。
优选的，所述pd金属叉指电极的宽度和电极间距均为0.15～0.20mm，厚度为100～150nm。
优选的，所述溶剂热反应温度在110～220℃，溶剂热反应时间为6～48 小时。
优选的，所述乙酰丙酮铜和四氯化锡的摩尔比为1:1，所述乙酰丙酮铜的摩尔浓度为0.01～0.1mol/L。
优选的，所述烘箱烘干条件为：在60～120℃条件下，干燥1～5小时，程序升温速率为2～10℃/分钟。
优选的，所述马弗炉中程序升温的升温速率范围在2～20℃/min，煅烧时间为2～8小时，煅烧温度为500～800℃。
优选的，所述纳米微球与去离子水的质量比为5：1～3。
一种基于核壳分层结构二氧化锡-氧化铜复合纳米材料的VOCs气体传感器的应用，采用如权利要求1至9任一项所述的方法制备而成的基于核壳分层结构二氧化锡-氧化铜复合纳米材料的VOCs气体传感器，将所述的 VOCs气体传感器用于对不同浓度VOCs气体进行检测。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明制备的核壳分层结构二氧化锡-氧化铜复合纳米材料的VOCs气体传感器具有制备方法简单，成本低廉，操作容易控制，具有较高的生产效率；VOCs气体传感器用核壳结构的二氧化锡/氧化铜复合纳米材料，增强了对VOCs气体的催化转化作用，从而提高了对VOCs的检测灵敏度，并缩小了传感器的体积；对VOCs气体具有灵敏度高，稳定性好检测速度快的特点。
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为本发明制备方法流程图；
图2为本发明制备的VOCs气体传感器结构示意图；
图3为本发明VOCs气体传感器在工作温度为220℃下，器件的灵敏度-VOCs浓度特性曲线图；
图4为本发明VOCs气体传感器在工作温度为220℃下，VOCs气体浓度为100ppm下，器件的选择特性图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、Al2O3衬底；2、pd金属叉指电极；3、复合纳米材料气敏层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种基于核壳分层结构二氧化锡-氧化铜复合纳米材料的VOCs气体传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1：Pd金属叉指电极的处理
首先分别用丙酮、乙醇棉球擦拭带有丝网印刷技术制备的pd金属叉指电极的Al2O3衬底至干净，再将Al2O3衬底依次置于丙酮、乙醇和去离子水中，分别超声清洗5～10分钟，最后在100～120℃环境下干燥；
其中，Pd金属叉指电极的制备方法如下步骤：
采用丝网印刷技术制备pd金属叉指电极，按照油墨(油墨型号采用佳华JX07500487)：pd粉：稀释剂的质量比为1：1：2的比例，搅拌调制成浆糊；然后将浆糊注入到带有叉指电极图案的丝网版上，在30°～45°的倾斜角度和 5～10N压力条件下刮动浆糊，印制电极并烘干，紫外光固化后完成金属叉指电极的制备。pd金属叉指电极的宽度和电极间距均为0.15～0.20mm，厚度为 100～150nm。
S2：制备核壳分层结构二氧化锡-氧化铜复合纳米材料
S2.1：将乙酰丙酮铜和四氯化锡按照一定的摩尔比称量后，放入甲醇中充分溶解，将得到的混和溶液在一定温度下，进行溶剂热反应，溶剂热反应温度在110～220℃，溶剂热反应时间为6～48小时。
其中，乙酰丙酮铜和四氯化锡的摩尔比为1:1，所述乙酰丙酮铜的摩尔浓度为0.01～0.1mol/L。
S2.2：溶剂热反应结束，自然冷却至室温后，将反应得到的产品过滤、洗涤后放入烘箱中烘干，烘箱烘干条件为：在60～120℃条件下，干燥1～5小时，程序升温速率为2～10℃/分钟。
S2.3：上述干燥过后，将所得到的产品直接在马弗炉中煅烧，马弗炉中程序升温的升温速率范围在2～20℃/min，煅烧时间为2～8小时，煅烧温度为 500～800℃，自然冷却后即制得核壳分层结构二氧化锡-氧化铜复合纳米材料。
S3：气敏材料的涂覆
将干燥后的核壳分层结构二氧化锡-氧化铜复合纳米材料放入研钵中，研磨20～30分钟；然后向研钵中滴入去离子水，纳米微球与去离子水的质量比为5：1～3，再继续研磨20～30分钟，得到黏稠状的浆料；其用小毛刷沾取少量的浆料，涂覆在Pd金属插指电极上，然后将其在60～80℃烘干，得到厚度为2～4μm的核壳分层结构二氧化锡-氧化铜复合纳米材料气敏层；最后在相对湿度为40％RH、温度为20～35℃的环境中，将制备的器件在40～80mA 的直流电下老化24～72小时，得到所述的基于核壳分层结构二氧化锡-氧化铜复合纳米材料的VOCs气体传感器。
二氧化锡(SnO2)是一种宽禁带、直接带隙的n型半导体材料，带隙宽为3.6-3.8eV，具有优良的阻燃导电性能，还具有反射红外线辐射及遮光、吸附、化学性能稳定，有高光催化活性等。由于二氧化锡的带隙较宽，响应可见光谱少，所以直接使用二氧化锡光催化降解污染物的相关研究很少。为了提高二氧化锡的催化性能，选择与其它带隙较小的半导体复合是非常有效的方法之一。由于二氧化锡是n型半导体，所以选择其与带隙较小的p型半导体氧化铜(0.96eV)复合，制备新型p-n异质结复合半导体二氧化锡/氧化铜纳米材料。
本发明利用溶剂热-煅烧两步法，成功的在低温条件下制备出了纯度较高的球形等级结构二氧化锡/氧化铜复合纳米材料。目的产物收率高(99.0％～ 99.9％)，可满足工业应用领域对二氧化锡/氧化铜复合纳米材料产品的要求。其纯度高(99.95％～99.98％)，杂质含量低，分散性好。
实施例2
本发明提供一种技术方案：一种基于核壳分层结构二氧化锡-氧化铜复合纳米材料的VOCs气体传感器的应用，采用如权利要求1至9任一项所述的方法制备而成的基于核壳分层结构二氧化锡-氧化铜复合纳米材料的VOCs 气体传感器，将所述的VOCs气体传感器用于对不同浓度VOCs气体进行检测。参阅图3-4，当VOCs气体传感器在工作温度为220℃下，器件的灵敏度随VOCs气体浓度增大而增大，曲线在VOCs气体浓度范围为10～100ppm 呈现良好的线性关系。当VOCs气体传感器在工作温度为220℃、VOCs气体浓度为100ppm下，器件对甲醛的灵敏度均大于其他检测气体。器件表现出良好的选择性。该VOCs气体传感器的气敏性能指标如下：
灵敏度为14.8(100ppm甲醛)；
VOCs气体测试范围：10～500ppm。
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。