一种利用纳米纤维素进行低温水热反应制备氧化锡及so2气敏传感器的方法
阅读说明：本技术 一种利用纳米纤维素进行低温水热反应制备氧化锡及so2气敏传感器的方法 (Preparation of tin oxide and SO by low-temperature hydrothermal reaction of nano-cellulose2Method for gas sensor ) 是由 何星欣 应智花 李丽丽 汶飞 郑鹏 王高峰 于 2021-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种利用纳米纤维素进行低温水热反应制备氧化锡及SO-(2)气敏传感器的方法,属于气体传感器领域。该SO-(2)气体传感器以纳米纤维素、五水四氯化锡为原料,通过低温水热合成得到氧化锡材料。随后将该材料配成悬浊液通过喷涂法均匀地喷涂在叉指电极上,形成一层气敏薄膜,从而得到SO-(2)气体传感器。该制备方法简单、环保,且得到的传感器能够检测低浓度的SO-(2)。(The invention discloses a method for preparing tin oxide and SO by using nanocellulose to carry out low-temperature hydrothermal reaction 2 A method of a gas sensor belongs to the field of gas sensors. The SO 2 The gas sensor takes nano-cellulose and stannic chloride pentahydrate as raw materials, and the stannic oxide material is obtained through low-temperature hydrothermal synthesis. Then preparing the material into suspension, and uniformly spraying the suspension on the interdigital electrode by a spraying method to form a layer of gas-sensitive film, thereby obtaining SO 2 A gas sensor. The preparation method is simple and environment-friendly, and the obtained sensor can detect low-concentration SO 2 。)
技术领域
本发明涉及气体传感器领域，特别涉及一种利用纳米纤维素进行低温水热反应制备氧化锡的合成方法及其在SO2气敏传感器中的应用。根据纳米纤维素制备氧化锡在紫外光下传感器电阻变化来检测SO2气体。
背景技术
SO2是一种典型的污染环境气体。由于煤和石油通常都含有硫元素，因此燃烧时会生成SO2。SO2可氧化成SO3，与雨水发生反应形成酸雨，对水生生态系统和陆地生态系统的健康危害极大。此外，它也是一种有毒气体，人体耐受性约为5ppm，而长期接触限值为2ppm，因为它会导致人体严重疾病，如呼吸和心血管疾病以及肺癌。因此对SO2气体的实时连续检测十分重要，尤其是能够检测到低浓度的SO2。
金属氧化物半导体被认为是最有前景的气敏材料，由于其具有制造简单、成本低廉等优点，在监测有毒有害气体方面起着至关重要的作用。但是半导体传感器也存在操作设备复杂，反应温度高，时间长且检测浓度高响应值低等问题。因此需要操作简单、使用条件要求不高、且灵敏度较高的传感器。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种利用纳米纤维素进行低温水热反应制备氧化锡及SO2气敏传感器的方法，在紫外光下测量达到有效检测SO2气体，同时降低设备使用温度和操作复杂等问题。
为了解决现有技术存在的技术问题，本发明的方案如下：
一种利用纳米纤维素进行低温水热反应制备氧化锡的方法，其制备过程如下：
将一定质量的纳米纤维素溶液加入溶液中，所述溶液为五水四氯化锡溶解于去离子水；将混合溶液搅拌均匀，低温水热反应，反应结束后，离心、洗涤、干燥、煅烧处理，得到氧化锡材料。
本发明还公开了一种利用纳米纤维素进行低温水热反应制备氧化锡并应用于SO2气敏传感器，包括以下步骤：
步骤1：制备氧化锡气敏材料，其制备过程如下：
209.32mg的五水四氯化锡加入到不同质量的纳米纤维素溶液中，并且加入去离子水以保证溶液为10ml，搅拌均匀，低温水热反应，反应结束后，离心、洗涤、干燥处理等到氧化锡前驱体(Sn(OH)4),最后进行600℃/2h高温煅烧得到氧化锡纳米材料。
步骤2：制备SO2气体传感器，将步骤1所得的氧化锡材料加入适量水超声分散，得到均匀分散的氧化锡悬浊液，将悬浊液通过移液枪转移到喷笔的容器中，使用喷涂法均匀的喷涂在叉指电极上，烘干后制备出SO2气体传感器。
在以上方案的基础上，优选的，所述的纳米纤维素为CNF((原料是滤纸，化学机械法制备，纤维素是由D-葡萄糖以β-1，4糖苷键组成的大分子多糖。之后在进行一定机械工艺将纤维素化制成纳米纤维素)。
在以上方案的基础上，优选的，所述步骤1五水四氯化锡为209.32mg；纳米纤维素溶液为30mg(3ml)。
所述的五水四氯化锡为209.32mg；纳米纤维素溶液为40mg(4ml)。
所述的五水四氯化锡为209.32mg；纳米纤维素溶液为50mg(5ml)。
所述的五水四氯化锡为209.32mg；纳米纤维素溶液为60mg(6ml)。
在以上方案的基础上，优选的，所述的磁力搅拌时间为60min。
在以上方案的基础上，优选的，所述的低温水热条件为60℃反应2h，在聚四氟乙烯反应釜中进行。
在以上方案的基础上，优选的，所述的离心条件为8000rpm下离心10分钟。
在以上方案的基础上，优选的，所述的洗涤和干燥条件为去离子水和无水乙醇交替清洗、离心3次，最终得到的沉淀在60℃干燥24h。
在以上方案的基础上，优选的，所述的高温煅烧的条件为4℃/min上升至600℃并保持2h。
在以上方案的基础上，优选的，所述步骤2中悬浊液中氧化锡浓度为10mg/ml，超声30～50min。
在以上方案的基础上，优选的，喷笔气压为0.01MPa～0.03MPa。
在以上方案的基础上，优选的，所述步骤2中叉指电极指间距离为50μm。
在以上方案的基础上，优选的，所述步骤2中传感器在60℃烘干5h。
与现有技术相比，本发明的技术方案如下：
(1)本发明通过纳米纤维素制备氧化锡，水热反应温度底为60℃，时间短仅需2h，且绿色环保。在传统水热制备氧化锡的方案中一般需要柠檬酸钠还原或氢氧化钠形成沉淀同时还需要添加别的药品，需要多种药品且反应温度为160℃-200℃而本申请无需添加，且制备的氧化锡效果很好。
(2)本发明通过纳米纤维素制备氧化锡，且作为SO2气敏传感器能够检测到低浓度的SO2。纳米纤维素本身的纳米尺寸效应可制备出氧化锡纳米材料。此外，纳米纤维素制备出来的氧化锡纳米材料有较高的表面活性与较强的吸附性，有利于监测到低浓度的SO2。
附图说明
图1是本发明利用纳米纤维素进行低温水热反应制备氧化锡并应用于SO2气敏传感器的方法实施实例中制备的氧化锡的TG/DTG分析。
图2是本发明利用纳米纤维素进行低温水热反应制备氧化锡并应用于SO2气敏传感器的方法实施实例中制备的氧化锡的XRD分析。
图3是本发明利用纳米纤维素进行低温水热反应制备氧化锡并应用于SO2气敏传感器的方法实施实例中制备的氧化锡的电镜扫描图。
图4是本发明利用纳米纤维素进行低温水热反应制备氧化锡并应用于SO2气敏传感器的方法实施实例中不同质量纳米纤维素制备得到的氧化锡材料对不同浓度(250，500，750，1000，1250ppb)SO2气体响应恢复测试图。
图5是本发明利用纳米纤维素进行低温水热反应制备氧化锡并应用于SO2气敏传感器的方法实施实例中制备的氧化锡材料的气敏特性。
其中，(a)SnO2/50mg CNF传感器在SO2气体浓度为1000ppb时的重复性测试图,(b)SnO2/50mg CNF传感器在SO2气体浓度为1000ppb时的稳定性测试图(c)SnO2/50mg CNF传感器在SO2气体浓度为1000ppb时的随着浓度增加(RH＝9.4％-73.9％)的响应图。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例子对本发明进行陈述，根据陈述实施例更好地理解本发明。
实施例
以五水四氯化锡为锡源，利用纳米纤维素进行低温水热反应制备氧化锡的合成方法及其在SO2气敏传感器中的应用，具体方法如下：
步骤1：制备氧化锡纳米材料；其制备过程如下：
向209.32mg的五水四氯化锡中滴加适量的纳米纤维素溶液，并滴入去离子水保证四个组分的总体积为10ml，磁力搅拌30min，将溶液置于聚四氟乙烯反应釜中，在60℃低温水热2h，将所得沉淀离心烘干得到氧化锡前驱体，最后高温煅烧(600℃/2h)得到氧化锡纳米材料粉末。
步骤2：制备SO2气体传感器；其制备过程如下：
将步骤1所得的氧化锡材料取10mg混于1ml去离子水中，超声分散30min，得到均匀分散的氧化锡悬浊液，将悬浊液通过移液枪转移到喷笔的容器中，使用喷涂法均匀的喷涂在干净的叉指电极上，烘干后制备出SO2气体传感器。得到的SO2气体传感器在紫外下进行气敏性能测试。
在本实施例中，氧化锡纳米材料的TG/DTG如图1所示，在温度为41.97℃的时候有微量的质量损失，这是由于前驱体脱去吸附水所致，在41.97-381.25℃范围内出现大幅度的质量损失，此时样品中脱去CNF以及结晶水。在整个过程中，一直处于失重的状态，直到600℃左右趋于稳定。
在本实施例中，氧化锡纳米材料的XRD图如图2所示，可以看到四个组分的衍射峰都能与PDF相对应，说明说制备的产物为氧化锡。
在本实施例中，氧化锡纳米材料的XRD图如图3所示，可以看到氧化锡的尺寸均小于100nm。
在本实施例中，SO2气体传感器对不同浓度(250、500、750、1000、1250ppb)体的响应恢复测试如图4所示，可以看到四个组分随着气体浓度的增加响应增加，且50mg CNF制备得到的氧化锡的响应值最高，其次是60mg CNF制备得到的氧化锡，40mg CNF制备得到的氧化锡，最后是30mg CNF制备得到的氧化锡。
在本实施例中，SnO2/50mg CNF传感器在SO2气体浓度为1000ppb时的重复性如图5中a所示，可以看到传感器的重复性能较好。
在本实施例中，SnO2/50mg CNF传感器在SO2气体浓度为1000ppb时的稳定性如图5中b所示，可以看到传感器在一个月内响应值没有发生太大的改变有较好的稳定性。
在本实施例中，SnO2/50mg CNF传感器在SO2气体浓度为1000ppb在不同湿度下的响应如图5中c所示，可以看到传感器随着湿度的增加响应有略微的下降，但对气敏的检测影响不大。
以上显示和描述了本发明的主要特征和优点。
以上实施例是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。