一种采用水热法一步合成纳米SnO2气敏材料的方法
阅读说明：本技术 一种采用水热法一步合成纳米SnO2气敏材料的方法 (One-step synthesis of nano SnO by adopting hydrothermal method2Method for producing gas-sensitive material ) 是由 闫纪宪 李清坤 王红娟 于 2021-01-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种纸采用水热法一步合成纳米SnO-2气敏材料的方法,包括以下步骤：以K-2SnO-3·3H-2O作为锡源,选取丙三醇作诱导剂,在180℃下反应20 h,一步合成粒径为30 nm～50 nm的SnO-2纳米球。本发明公开的SnO-2合成方法工艺简单、成本低,合成的SnO-2纳米材料粒径均一、分散性好、纯度高、结晶性好、气敏性能好。(The invention discloses a method for synthesizing nano SnO by one step through paper by adopting a hydrothermal method 2 A method of gas sensing materials comprising the steps of: with K 2 SnO 3 ·3H 2 O is used as a tin source, glycerol is selected as an inducer, the reaction is carried out for 20 hours at 180 ℃, and SnO with the particle size of 30 nm-50 nm is synthesized in one step 2 Nanospheres. SnO disclosed by the invention 2 The synthesis method has simple process and low cost, and the synthesized SnO 2 The nano material has the advantages of uniform particle size, good dispersibility, high purity, good crystallinity and good gas sensitivity.)
技术领域
本发明属于纳米材料技术领域，涉及一种采用水热合成法，以丙三醇为诱导剂，一步合成SnO2纳米球气敏材料。
背景技术
随着国民经济的快速发展，环境污染问题日趋严重，有毒和污染性气体的排放量日益增多，已逐渐影响到人们的正常生活，因此必须对这些气体进行有效检测和控制。目前，用于气体传感器的半导体金属氧化物气敏材料主要有：Fe2O3、ZnO、WO3、In2O3和SnO2等。SnO2作为一种宽带n-型半导体(Eg = 3.6 ev, 300 K)，具有稳定性好、灵敏度高、成本低廉等优点，在半导体金属氧化物气体传感器中应用研究中最为广泛。
SnO2气敏材料的气敏性能好坏取决于二氧化锡纳米颗粒的尺寸大小、均匀性、稳定性和表面结构，纳米级SnO2能够具备粒径小、比表面积大、粒径均一、稳定性好等优点，进一步提高了SnO2气敏材料的灵敏度、气体选择性，缩短了响应及恢复时间。目前研究领域主要通过化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、水热沉淀法及模板法，制备纳米结构SnO2气敏材料，但上述方法存在一定的步骤繁琐、后处理过程复杂及成本高等缺点。
水热合成法制备SnO2纳米材料，是在溶剂中一次完成晶粒的形成，不需要后期晶化热处理，有效避免了后期热处理而产生粉体硬团聚和混入杂质等缺点。因此，如何通过简易廉价水热合成法一步合成SnO2纳米气敏材料，是众多研究人员挑战的难点之一，具有重要的理论价值和实际意义。
发明内容
鉴于传统气敏材料及现有SnO2纳米气敏材料合成方法存在诸多不足，本发明的目的是提供一种采用水热合成法，以K2SnO3·3H2O作为锡源，选取丙三醇作诱导剂，在180℃下反应20 h，一步合成粒径为30 nm~50 nm的SnO2纳米球。解决了传统气敏材料及现有SnO2合成技术中步骤繁琐、材料纯度低、粉体分散性差、易混入杂质、粒径无序等问题，使其可以广泛应用于气体传感领域。
本发明主要采用了如下技术方案：
主要发明步骤如下：
纳米SnO2的制备。室温条件下，将1.0 mmol~ 4.0 mmol K2SnO3·3H2O，溶解于40mL去离子水中，磁力搅拌至全部溶解；再将10 mL~20 mL丙三醇加入其中，常温下磁力搅拌20 min；将溶液转入100 mL高压反应釜中，置于180 ℃电热鼓风干燥箱中，反应20 h，取出高压反应釜，待其冷却至室温，将聚四氟乙烯内衬取出，倒掉上清液，沉淀用蒸馏水和无水乙醇分别离心洗涤3次，在干燥箱中80 ℃干燥2.5 h，取出所需粉末。将所制粉末置于氧化铝坩埚槽中，放入马弗炉中煅烧约10 h，马弗炉升温—降温时间曲线如图1所示，合成具有优异气敏性能的纳米SnO2。
气敏性能测试。将一定量的待测样品分散到200 µL水溶液中超声分散均匀后，取10 µL滴加到传感器件表面，自然干燥后装入到传感测试系统中进行相关气体的传感性能测试。气体总流量通过气体流量计控制恒定为200 sscm (standard cubic centimeterper minute，标准情况下毫升每分钟)，传感试验温度为350 °C。定义气体灵敏度为 S =R air/ R gas(其中R air为传感材料在空气条件下的电阻值，R gas为传感材料在空气条件下的电阻值)，响应时间T 1为传感气体进入后，传感材料电阻变化值下降到最大差值的90%所需要的时间，恢复时间T 2为传感气体关闭后，传感材料电阻变化值上升到最大差值的90%所需要的时间。
本发明的有益效果是：
采用一步水热合成方法，以廉价的K2SnO3·3H2O作为锡源，选取丙三醇作诱导剂，工艺简单、成本低。
合成的SnO2纳米材料粒径均一、分散性好、纯度高、结晶性好、气敏性能好。
附图说明
图1是马弗炉升温—降温时间曲线。
图2是所得纳米SnO2的粉末X-射线粉末衍射图，与金红石(Rutile)结构SnO2的标准图谱(JCPDS卡片编号为41-1445)相符，所得XRD谱图中没有任何杂质峰出现，表明制备得到的纳米SnO2具有纯度高且结晶性好。
图3是实施例二制备的纳米SnO2的扫描电镜图，可以清晰的看出纳米球体尺寸大小分布比较均一，平均颗粒直径为40 nm。
图4是在120mA工作电流下，实施例四制备的纳米SnO2材料对乙醇气体传感灵敏度随浓度的升高(5~200 ppm)变化曲线图。当乙醇浓度为50 ppm时，响应时间和恢复时间分别为21 s和33 s。内图为纳米SnO2对乙醇气体传感灵敏度和浓度之间的线性关系图。
图5是在120 mA工作电流下，实施例四制备的纳米SnO2材料对正丁醇气体传感灵敏度随浓度的升高(5~200 ppm)变化曲线图。当正丁醇浓度为50 ppm时，响应时间和恢复时间分别为19 s和31 s。内图为纳米SnO2对正丁醇气体传感灵敏度和浓度之间的线性关系图。
图6是在100 ppm乙醇中不断循环5次重复测试传感器气敏材料稳定性图谱。
图7是在100 ppm正丁醇中不断循环5次重复测试传感器气敏材料稳定性图谱。
具体实施方式
实施例一：
纳米SnO2的制备。室温条件下，将1.0 mmolK2SnO3·3H2O，溶解于40 mL去离子水中，磁力搅拌至全部溶解；再将20 mL丙三醇加入其中，常温下磁力搅拌20 min；将溶液转入100 mL高压反应釜中，置于180 ℃电热鼓风干燥箱中，反应20 h，取出高压反应釜，待其冷却至室温，将聚四氟乙烯内衬取出，倒掉上清液，沉淀用蒸馏水和无水乙醇分别离心洗涤3次，在干燥箱中80 ℃干燥2.5 h，取出所需粉末。将所制粉末置于氧化铝坩埚槽中，放入马弗炉中煅烧约10 h，合成纳米SnO2。
实施例二：
纳米SnO2的制备。室温条件下，将1.0 mmolK2SnO3·3H2O，溶解于40 mL去离子水中，磁力搅拌至全部溶解；再将8 mL丙三醇加入其中，常温下磁力搅拌20 min；将溶液转入100 mL高压反应釜中，置于180 ℃电热鼓风干燥箱中，反应20 h，取出高压反应釜，待其冷却至室温，将聚四氟乙烯内衬取出，倒掉上清液，沉淀用蒸馏水和无水乙醇分别离心洗涤3次，在干燥箱中80 ℃干燥2.5 h，取出所需粉末。将所制粉末置于氧化铝坩埚槽中，放入马弗炉中煅烧约10 h，合成纳米SnO2。
实施例三：
纳米SnO2的制备。室温条件下，将1.0mmol K2SnO3·3H2O，溶解于40 mL去离子水中，磁力搅拌至全部溶解；再将10 mL丙三醇加入其中，常温下磁力搅拌20 min；将溶液转入100 mL高压反应釜中，置于180 ℃电热鼓风干燥箱中，反应20 h，取出高压反应釜，待其冷却至室温，将聚四氟乙烯内衬取出，倒掉上清液，沉淀用蒸馏水和无水乙醇分别离心洗涤3次，在干燥箱中80 ℃干燥2.5 h，取出所需粉末。将所制粉末置于氧化铝坩埚槽中，放入马弗炉中煅烧约10 h，合成纳米SnO2。
乙醇气敏性能测试。将10mg的待测样品分散到200 µL水溶液中超声分散均匀后，取10 µL滴加到传感器件表面，自然干燥后装入到传感测试系统中进行相关气体的传感性能测试。气体总流量通过气体流量计控制恒定为200 sscm (standard cubic centimeterper minute，标准情况下毫升每分钟)，传感试验电流为120mA。定义气体灵敏度为 S =R air/ R gas(其中R air为传感材料在空气条件下的电阻值，R gas为传感材料在空气条件下的电阻值)，响应时间T 1为传感气体进入后，传感材料电阻变化值下降到最大差值的90%所需要的时间，恢复时间T 2为传感气体关闭后，传感材料电阻变化值上升到最大差值的90%所需要的时间。
实施例四：
纳米SnO2的制备。室温条件下，将1.0mmolK2SnO3·3H2O，溶解于40 mL去离子水中，磁力搅拌至全部溶解；再将10 mL丙三醇加入其中，常温下磁力搅拌20 min；将溶液转入100mL高压反应釜中，置于180 ℃电热鼓风干燥箱中，反应20 h，取出高压反应釜，待其冷却至室温，将聚四氟乙烯内衬取出，倒掉上清液，沉淀用蒸馏水和无水乙醇分别离心洗涤3次，在干燥箱中80 ℃干燥2.5 h，取出所需粉末。将所制粉末置于氧化铝坩埚槽中，放入马弗炉中煅烧约10 h，合成纳米SnO2。
正丁醇气敏性能测试。将10mg的待测样品分散到200 µL水溶液中超声分散均匀后，取10 µL滴加到传感器件表面，自然干燥后装入到传感测试系统中进行相关气体的传感性能测试。气体总流量通过气体流量计控制恒定为200 sscm (standard cubiccentimeter per minute，标准情况下毫升每分钟)，传感试验电流为120mA。定义气体灵敏度为 S = R air/ R gas(其中R air为传感材料在空气条件下的电阻值，R gas为传感材料在空气条件下的电阻值)，响应时间T 1为传感气体进入后，传感材料电阻变化值下降到最大差值的90%所需要的时间，恢复时间T 2为传感气体关闭后，传感材料电阻变化值上升到最大差值的90%所需要的时间。
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