專利名稱：均相介孔氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料及制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)機(jī)材料合成與傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及到均相介孔氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料及其制備方法和所述材料在MEMS甲烷催化燃燒傳感器上的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
介孔材料具有排列規(guī)則有序的孔道、大小可調(diào)且分布范圍極窄的孔徑以及表面易于化學(xué)改性等優(yōu)點(diǎn)，突破了以往沸石分子篩的孔徑限制，使很多在沸石分子篩中難以完成的大分子的吸附、分離、進(jìn)行催化反應(yīng)成為可能。 在介孔催化領(lǐng)域中，真正能起催化作用或與負(fù)載的催化劑起協(xié)同作用的往往是那些非硅介孔材料。因此，對(duì)非硅基介孔材料的研究已成為近年來(lái)新興的一個(gè)學(xué)科，成為新材料研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。但是，由于非硅基介孔材料具有可變的化合價(jià)和較差的熱穩(wěn)定，其合成相比較于氧化硅基更為困難。目前，非硅基介孔材料的合成方法主要是采用硬模板法。由于采用介孔氧化硅作為模板，其制備過(guò)程較為復(fù)雜，成本較高，限制了非硅基介孔材料的實(shí)際應(yīng)用。對(duì)貴金屬介孔催化材料而言，目前主要是采用負(fù)載的方法將其負(fù)載在介孔載體上。這種負(fù)載方法往往具有其局限性，負(fù)載量大極易引起孔道堵塞，影響其催化作用的發(fā)揮。在某些需要高含量貴金屬催化劑的領(lǐng)域，如何采用簡(jiǎn)單的方法合成具有高貴金屬含量的，高比表面的介孔貴金屬催化材料是目前催化領(lǐng)域急待解決的一個(gè)問(wèn)題。在傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域，工業(yè)上對(duì)可燃?xì)怏w的檢測(cè)主要是利用催化燃燒式傳感器來(lái)進(jìn)行。催化燃燒式傳感器的原理是利用一個(gè)雙路電橋(一般稱作“惠斯通電橋”)檢測(cè)單元，在其中的一個(gè)鉬金絲電橋上涂有催化燃燒物質(zhì)，不論何種易燃?xì)怏w，只要它能夠被電極引燃，鉬金絲電橋的電阻就會(huì)由于溫度的變化而發(fā)生改變，這種電阻的變化與可燃?xì)怏w的濃度成一定比例，通過(guò)儀器的電路系統(tǒng)和微處理機(jī)可以計(jì)算出可燃?xì)怏w的濃度。其中，起催化作用的元件被稱之為催化燃燒元件。傳統(tǒng)的貴金屬繞絲的催化燃燒元件一般用直徑為20 50 μ m的Pt絲繞成螺旋狀，涂覆氧化鋁前驅(qū)體溶液，燒結(jié)成直徑Imm的氧化鋁球，再浸漬貴金屬催化劑燒結(jié)制得。 但是，這種元件有兩個(gè)缺陷
第一個(gè)缺陷是傳感器催化元件的機(jī)械強(qiáng)度不是很好，長(zhǎng)期使用之后催化活性有衰減。 因其繞絲采用的Pt絲很細(xì)，且經(jīng)常處在冷熱循環(huán)狀態(tài)中(由于氣體濃度不同，催化燃燒釋放的熱量會(huì)有變化，因氣體流速的不同熱量的損失也會(huì)有不同)，加之工業(yè)環(huán)境經(jīng)常有的振動(dòng)和碰撞，很容易引起傳感器催化元件的斷絲，導(dǎo)致元件失效。此外，催化劑工作溫度在500 攝氏度以上，長(zhǎng)時(shí)間使用后傳感器催化元件活性的衰減在所難免。第二個(gè)缺陷是傳感器催化元件的功耗高。在便攜式儀表中，為降低功耗延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間，通常是采用的Pt絲阻值越大越好，這樣，電阻的溫度效應(yīng)就會(huì)明顯。但是，Pt絲又不能做得太細(xì)，否則使用中更易出現(xiàn)熔斷現(xiàn)象。目前，針對(duì)便攜式儀表的使用問(wèn)題，傳統(tǒng)的可燃?xì)怏w催化燃燒傳感器一般采用高電壓(4. 25 V左右)、低電流(>50mA)的催化燃燒元件，其功耗普遍在200 mW以上。以便攜式儀表普遍選用的3600 mAh鋰離子充電電池來(lái)計(jì)算，60 mA的恒電流工作僅能維持60小時(shí)，其中還沒(méi)有計(jì)算主板芯片、液晶顯示器的耗電量，而且便攜式儀表往往是可對(duì)多氣體進(jìn)行檢測(cè)的，因此，還應(yīng)該考慮其它傳感器的用電。因此，降低催化燃燒傳感器的功耗就顯得十分必要。微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectro廬Mechanical Systems,簡(jiǎn)稱MEMS)及微傳感器的制造技術(shù)是解決上述問(wèn)題的捷徑。微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)與傳統(tǒng)的傳感器相比具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)。但是，到目前為止，還未見(jiàn)到有基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的催化燃燒傳感器的報(bào)道?；贛EMS技術(shù)的微加熱器采用硅片上的平面加熱器結(jié)構(gòu)，因此不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)催化燃燒元件中出現(xiàn)斷路的情況。再由于加熱的Pt薄膜厚度小于0.1 μπι，其電阻阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于繞絲元件(在一般室溫下，繞絲元件的阻值在10歐姆左右，而微加熱器的阻值能達(dá)到200歐姆)，顯著的電阻溫度效應(yīng)能提高傳感器的靈敏度。目前，在采用基于微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)技術(shù)制備的微加熱器上制備基于MEMS技術(shù)的低功耗甲烷催化燃燒傳感器(以下簡(jiǎn)稱MEMS甲烷催化燃燒傳感器)已成為甲烷催化燃燒傳感器研究的一個(gè)重要方向。所述基于MEMS技術(shù)的甲烷催化燃燒傳感器結(jié)構(gòu)為在基于MEMS技術(shù)的微加熱器加熱區(qū)上先涂覆一層薄膜基底，然后在基底上再涂敷催化劑層。但是，這種微加熱器的加熱區(qū)面積非常小，通常為0. Olmm2左右，只有傳統(tǒng)催化燃燒元件的1%大小，因此，由其負(fù)載的催化劑量非常小，其結(jié)果是測(cè)量過(guò)程中由甲烷催化燃燒而產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度較弱、信噪比小，存在難以實(shí)際應(yīng)用等一系列問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是一是提供一種均相介孔氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料的制備方法，按所述的方法能夠制備出高比表面積、高貴金屬負(fù)載量、分散均勻的均相介孔氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料；二是提供所述的復(fù)合催化材料在MEMS甲烷催化燃燒傳感器上的應(yīng)用。針對(duì)背景技術(shù)中指出的現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，本發(fā)明在研究中嘗試將氧化鋁引入介孔氧化銠的結(jié)構(gòu)中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在很寬的摩爾比范圍內(nèi)，氧化銠/氧化鋁都能形成均相介孔結(jié)構(gòu)。本發(fā)明在研究中繼續(xù)將上述介孔結(jié)構(gòu)氧化銠/氧化鋁催化劑層引入MEMS甲烷催化燃燒傳感器，以期增加催化劑與檢測(cè)氣體有效接觸的面積。引入介孔結(jié)構(gòu)催化劑層的MEMS甲烷催化燃燒傳感器，其催化劑的負(fù)載量大大提高，甲烷與催化劑之間的有效接觸面積顯著增加，從而能夠獲得更高的靈敏度。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為
一種均相介孔氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料的制備方法，其特征是，其步驟包括
(1)將模板劑、鋁鹽添加至無(wú)水乙醇中進(jìn)行攪拌，模板劑鋁鹽無(wú)水乙醇的摩爾比為 1 2:10000:1000 2000，溶解后得到均一的氧化鋁溶膠；
(2)將銠鹽溶于去離子水中制成溶液，再加至步驟(1)得到的氧化鋁溶膠中，在所述的溶液與所述的氧化鋁溶膠的混合物中銠與鋁的摩爾比R為0 < R < 8 ；經(jīng)超聲分散后得到氧化銠/氧化鋁復(fù)合溶膠；
(3)將步驟(2)得到的氧化銠/氧化鋁復(fù)合溶膠在室溫下攪拌，待溶劑揮發(fā)后得到氧化
4銠/氧化鋁復(fù)合凝膠；
(4)將步驟(3)得到的氧化銠/氧化鋁復(fù)合凝膠在400 600°C溫度下進(jìn)行煅燒，去除模板劑，獲得目標(biāo)產(chǎn)物——介孔均相氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料。步驟(1)所述的模板劑為F127 (Pluronic F127, ΡΕ0-ΡΡ0-ΡΕ0三嵌段線性高分子)、P123 (非離子型表面活性劑)、CTAB (十六烷基三甲基溴化銨)的一種或多種。步驟(1)所述的鋁鹽為硝酸鋁及其水合物或氯化鋁及其水合物。步驟(2)所述的銠鹽為氯化銠及其水合物或硝酸銠及其水合物或其他可溶性銠
Τττ . ο為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為
一種按照上述的方法制備的均相介孔氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料，其特征是，所述復(fù)合催化材料中銠與鋁的摩爾比R為0 < R < 8，氧化銠與氧化鋁相互均勻分散形成均一、 穩(wěn)定的多孔疏松結(jié)構(gòu)，材料比表面積大于50 m2/g。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為
均相介孔氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料在基于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)制備甲烷催化燃燒傳感器中的應(yīng)用。所述均相介孔氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料在基于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)制備甲烷催化燃燒傳感器中的應(yīng)用，其特征是，用于甲烷催化燃燒傳感器的檢測(cè)元件——黑元件的制作，其步驟包括
(1)將氧化銠/氧化鋁復(fù)合溶膠涂覆于基于MEMS技術(shù)制備的微加熱器加熱區(qū)的表面；
(2)將所述微加熱器放在400 600°C的高溫下進(jìn)行處理，在微加熱器加熱區(qū)的表面覆蓋介孔均勻氧化銠/氧化鋁介孔薄膜，即得到黑元件。為配合上述方法制得的催化元件-黑元件的使用，采用介孔氧化鋁溶膠涂覆于另一基于MEMS技術(shù)制備的微加熱器加熱區(qū)的表面，高溫處理除去微加熱器表面的活性劑，使微加熱器加熱區(qū)的表面覆蓋介孔氧化鋁薄膜，做成的白元件作為補(bǔ)償元件與上述黑元件 (用于甲烷催化燃燒傳感器的檢測(cè)元件)共同構(gòu)成MEMS甲烷催化燃燒傳感器。本發(fā)明的積極效果是
(1)所述的均相介孔氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料具有高比表面積及疏松多孔結(jié)構(gòu)， 為貴金屬活性組分的高負(fù)載量提供了可行性，增強(qiáng)了催化活性，而甲烷氣體與催化劑之間可觀的接觸面積提高了催化元件對(duì)甲烷氣體檢測(cè)的靈敏度。(2)均相介孔氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料的制備方法簡(jiǎn)單、易于操作。(3)氧化銠于載體上分散均勻，結(jié)構(gòu)形貌均一，負(fù)載量較高ah/Al摩爾比可高達(dá) 8:1)，具有良好的催化活性及熱穩(wěn)定性，符合甲烷氣體傳感器對(duì)于高靈敏度、快速氣體響應(yīng)性能的要求。(4)經(jīng)測(cè)試，本發(fā)明的基于均相介孔氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料的MEMS甲烷催化燃燒傳感器在工作電壓下探測(cè)不同甲烷氣體濃度時(shí)不僅功耗低(同等條件下僅為傳統(tǒng)傳感器的1/5)、氣體響應(yīng)時(shí)間短，而且輸出信號(hào)高、信噪比大。(5)基于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)制備甲烷催化燃燒傳感器具有微型化、方便便攜的特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明均相介孔的氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料的制備方法的流程框圖。圖2為均相介孔氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料在基于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)上制備甲烷催化燃燒傳感器的流程框圖。圖3為不同銠與鋁(Mi/Al)摩爾比的介孔氧化銠/氧化鋁的TEM圖譜； 圖中的標(biāo)號(hào)分別為
a、銠與鋁的摩爾比為1:1；
b、銠與鋁的摩爾比為2:1；
c、銠與鋁的摩爾比為4:1；
d、銠與鋁的摩爾比為8:1。圖4為不同銠與鋁(Mi/Al)摩爾比的介孔氧化銠/氧化鋁的氮吸附回滯環(huán)及孔徑分布圖中的標(biāo)號(hào)分別為
a、銠與鋁的摩爾比為1:1；
b、銠與鋁的摩爾比為2:1；
c、銠與鋁的摩爾比為4:1；
d、銠與鋁的摩爾比為8:1。圖5為介孔氧化銠/氧化鋁的廣角XRD圖譜。圖6為銠與鋁ah/Al)摩爾比為1:1的介孔氧化銠/氧化鋁的XPS圖譜。圖7為MEMS催化燃燒傳感元件的結(jié)構(gòu)剖視圖； 圖中的標(biāo)號(hào)分別為1、催化劑薄膜；2、氧化鋁薄膜。圖8為MEMS催化燃燒傳感元件的結(jié)構(gòu)俯視圖。圖9為催化燃燒式傳感器電路原理圖； 圖中的標(biāo)號(hào)分別為3、黑元件；4、白元件。圖10為50%LEL甲烷濃度下，黑元件工作電壓與輸出信號(hào)關(guān)系圖(圖中標(biāo)識(shí)的溫度為黑元件在對(duì)應(yīng)工作電壓下的鉬絲溫度)。圖11為MEMS催化燃燒式傳感器于不同甲烷濃度下輸出的信號(hào)圖。圖12為50%LEL甲烷濃度，25%RH濕度下環(huán)境溫度與傳感器輸出信號(hào)的關(guān)系圖。圖13為50%LEL甲烷濃度，25攝氏度下環(huán)境濕度與傳感器輸出信號(hào)的關(guān)系圖。圖14為傳感器毒化前后信號(hào)輸出變化圖； 圖中的標(biāo)號(hào)分別為
a、通入100ppm H2S進(jìn)行毒化前；
b、通入100ppm H2S進(jìn)行毒化后；
C、通入100 ppm H2S與50%LEL甲烷混合氣體進(jìn)行毒化。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明均相介孔氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料的制備方法以及基于均相介孔氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料的MEMS甲烷催化燃燒傳感器的制作方法的具體實(shí)施方式
，介紹5個(gè)實(shí)施例。但是應(yīng)該指出，本發(fā)明的實(shí)施不限于以下的實(shí)施方式。實(shí)施例1
6一種均相介孔氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料的制備方法，其步驟包括
(1)將l.OgP123、0. Olmol鋁鹽(AlCl3)添加至IOml無(wú)水乙醇中，于室溫下快速攪拌 60分鐘，溶解后得到均一的介孔氧化鋁溶膠；
(2)按銠鹽ahCl3·XH2O)與氧化鋁(AlCl3)摩爾比為1:1的比例取適量銠鹽溶于去離子水中，制成溶液，再加至步驟(1)得到的鋁溶膠中，采用超聲儀超聲分散30分鐘，得到氧化銠/氧化鋁復(fù)合溶膠；
(3)將步驟(2)得到的氧化銠/氧化鋁復(fù)合溶膠在室溫下干燥，待溶劑揮發(fā)后得到氧化銠/氧化鋁復(fù)合凝膠；
(4)將步驟(3)得到的氧化銠/氧化鋁復(fù)合凝膠在550°C溫度下進(jìn)行煅燒，去除模板劑， 獲得介孔均相的氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料，其平均孔徑為4nm，比表面積達(dá)128. 9 m2/g。實(shí)施例2
一種均相介孔氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料的制備方法，其步驟包括
(1)(同實(shí)施例1)；
(2)按銠鹽ahCl3· XH2O)與氧化鋁(AlCl3)摩爾比為2:1的比例取適量銠鹽溶于去離子水中，制成溶液，再加至步驟(1)得到的鋁溶膠中，采用超聲儀超聲分散30分鐘，得到氧化銠/氧化鋁復(fù)合溶膠；
(3)(同實(shí)施例1)；
(4)(同實(shí)施例1)，獲得介孔均相的氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料，其平均孔徑為4nm， 比表面積達(dá)112. 3m2/go實(shí)施例3
一種均相介孔氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料的制備方法，其步驟包括
(1)(同實(shí)施例1)；
(2)按銠鹽ahCl3· XH2O)與氧化鋁(AlCl3)摩爾比為4:1的比例取適量銠鹽溶于去離子水中，制成溶液，再加至步驟(1)得到的鋁溶膠中，采用超聲儀超聲分散30分鐘，得到氧化銠/氧化鋁復(fù)合溶膠；
(3)(同實(shí)施例1)；
(4)(同實(shí)施例1)，獲得介孔均相的氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料，其平均孔徑為4nm， 比表面積達(dá)101. 4m2/g。實(shí)施例4
一種均相介孔氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料的制備方法，其步驟包括
(1)(同實(shí)施例1)；
(2)按銠鹽ahCl3· XH2O)與氧化鋁(AlCl3)摩爾比為8:1的比例取適量銠鹽溶于去離子水中，制成溶液，再加至步驟(1)得到的鋁溶膠中，采用超聲儀超聲分散30分鐘，得到氧化銠/氧化鋁復(fù)合溶膠；
(3)(同實(shí)施例1)；
(4)(同實(shí)施例1)，獲得介孔均相的氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料，其平均孔徑為4nm， 比表面積達(dá)51. 5m2/g。實(shí)施例1至實(shí)施例4所制備的介孔均相的氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料的形貌特征如圖3所示，圖中的a為實(shí)施例1的Mi/ΑΙ摩爾比為1 1情況下的復(fù)合催化材料的形貌特征； b為實(shí)施例2的I h/Al摩爾比為2:1情況下的復(fù)合催化材料的形貌特征； c為實(shí)施例3的I h/Al摩爾比為4:1情況下的復(fù)合催化材料的形貌特征； d為實(shí)施例4的I h/Al摩爾比為8:1情況下的復(fù)合催化材料的形貌特征。實(shí)施例1至實(shí)施例4所制備的介孔均相的氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料的比表面積數(shù)據(jù)及孔徑分布如圖4所示，圖中的
a為實(shí)施例1的Mi/ΑΙ摩爾比為1 1情況下的復(fù)合催化材料的比表面積數(shù)據(jù)及孔徑分
布；
b為實(shí)施例2的I h/Al摩爾比為2:1情況下的復(fù)合催化材料的比表面積數(shù)據(jù)及孔徑分
布；
c為實(shí)施例3的I h/Al摩爾比為4:1情況下的復(fù)合催化材料的比表面積數(shù)據(jù)及孔徑分
布；
d為實(shí)施例4的I h/Al摩爾比為8:1情況下的復(fù)合催化材料的比表面積數(shù)據(jù)及孔徑分布。通常情況下，貴金屬及貴金屬氧化物難以采用軟模板法直接形成介孔結(jié)構(gòu)。但從表征結(jié)果可知，本發(fā)明以表面活性劑為模板，僅僅通過(guò)添加少許氧化鋁作為添加劑，可以用一步法直接合成一系列不同Mi/ΑΙ摩爾比的疏松多孔的介孔結(jié)構(gòu)材料。根據(jù)圖3的TEM圖譜所示，在不同I h/Al摩爾比的合成材料中，無(wú)明顯的金屬或金屬氧化物納米顆粒附著于孔道內(nèi)部或外部，這一點(diǎn)與其它貴金屬及其氧化物與氧化鋁間形成的分相的介孔復(fù)合材料大不相同。氮?dú)馕矫摳綔y(cè)試結(jié)果表明，本發(fā)明制備的介孔均相的氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料具有介孔結(jié)構(gòu)，其孔徑大小約4nm，比表面積也隨著銠含量的增加而減小。如圖5 XRD 圖譜所示，小角范圍無(wú)衍射峰，則材料孔道呈無(wú)序狀；廣角范圍內(nèi)，35°、58°較強(qiáng)衍射峰對(duì)應(yīng)于Mi2O3的(114)、(208)晶面，說(shuō)明Mi2O3呈一定晶化狀態(tài)，根據(jù)(114)衍射峰半峰寬， 由謝勒公式計(jì)算得氧化銠晶粒的粒徑約為lnm。XPS測(cè)試結(jié)果表明，所述復(fù)合催化材料中的銠元素以三氧化二銠的形式存在(圖6)。實(shí)施例5
參見(jiàn)圖2，均相介孔氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料在基于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)制備甲烷催化燃燒傳感器中的應(yīng)用，包括甲烷催化燃燒傳感器白元件和黑元件的制作，其步驟包括 (1)白元件制作
①將實(shí)施例1步驟(1)制備的鋁溶膠涂覆于微加熱器(甲烷催化燃燒傳感器)加熱區(qū)的表面；
②將所述微加熱器在600°C溫度下進(jìn)行處理，去除凝膠中的模板劑(可重復(fù)這一過(guò)程) 直至微加熱器加熱區(qū)的表面完全覆蓋介孔均勻的氧化鋁薄膜，得到白元件。(2)黑元件制作
①將氧化銠/氧化鋁復(fù)合溶膠涂覆于微加熱器(甲烷催化燃燒傳感器)加熱區(qū)的表面；
②將所述微加熱器在550°C溫度下進(jìn)行處理，去除氧化銠/氧化鋁復(fù)合溶膠中的模板劑(可重復(fù)這一過(guò)程)直至微加熱器加熱區(qū)的表面完全覆蓋具有甲烷催化活性的介孔均勻氧化銠/氧化鋁薄膜ah/Al摩爾比為1 1，見(jiàn)圖7)，得到黑元件。
(3)將步驟(1)制作的白元件作為甲烷催化燃燒傳感器的補(bǔ)償元件，將步驟(2)制作的黑元件作為甲烷催化燃燒傳感器的檢測(cè)元件制作甲烷催化燃燒傳感器。所述的白元件與黑元件配對(duì)后的傳感元件如圖7、圖8所示。將傳感元件置入以惠斯通電橋?yàn)樵O(shè)計(jì)原理的測(cè)試電路板中進(jìn)行傳感器性能評(píng)價(jià)(圖9)。測(cè)試表明，MEMS LEL傳感器隨著外加電壓的增加，自身溫度升高，輸出信號(hào)與之成正比例上升，但功耗也隨之上升。選取1. 3V作為工作電壓，以保證傳感器在較低功耗下表現(xiàn)出較的高靈敏度(圖10)，在1. 3V工作電壓、50%LEL甲烷濃度下，傳感器輸出信號(hào)為5mV， 功耗為25mW。在同等條件下，相比較于傳統(tǒng)元件，本發(fā)明所述的MEMS LEL傳感器以前者1% 的加熱區(qū)面積輸出了前者20%的信號(hào)值，而功耗僅為前者的1/5。圖11記錄了傳感器在 1. 3V工作電壓下不同甲烷濃度下輸出的信號(hào)值，可見(jiàn)信號(hào)強(qiáng)度與甲烷濃度之間存在良好的線性關(guān)系。為考察環(huán)境條件對(duì)傳感器輸出信號(hào)的影響，在環(huán)境濕度恒定于25%RH、甲烷濃度為50%LEL條件下，改變測(cè)試環(huán)境溫度(_20°C 40°C )，傳感器的輸出信號(hào)無(wú)明顯變化(見(jiàn)圖 12)。另一方面，在測(cè)試環(huán)境為25°C，對(duì)應(yīng)于不同濕度環(huán)境(25%RH 98%RH)，傳感器測(cè)得 50%LEL濃度甲烷的輸出的信號(hào)較為穩(wěn)定，略微值隨濕度增加呈線性遞減。和傳統(tǒng)催化燃燒傳感器一樣，此影響可通過(guò)相關(guān)軟件來(lái)進(jìn)行消除(圖13)?？苟净阅軠y(cè)試(圖14)表明，該傳感器在通入IOOppm H2S 40 min進(jìn)行毒化前后， 其對(duì)應(yīng)于50%LEL甲烷濃度的輸出信號(hào)幾乎無(wú)變化，具有很好的抗毒化性能。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)該視為本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種均相介孔氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料的制備方法，其特征在于，其步驟包括(1)將模板劑、鋁鹽添加至無(wú)水乙醇中進(jìn)行攪拌，模板劑鋁鹽無(wú)水乙醇的摩爾比為 1 2:10000:1000 2000，溶解后得到均一的介孔氧化鋁溶膠；(2)將銠鹽溶于去離子水中制成溶液，再加至步驟(1)得到的氧化鋁溶膠中，在所述的溶液與所述的氧化鋁溶膠的混合物中銠與鋁的摩爾比R為0 < R < 8 ；經(jīng)超聲分散后得到氧化銠/氧化鋁復(fù)合溶膠；(3)將步驟(2)得到的氧化銠/氧化鋁復(fù)合溶膠在室溫下攪拌，待溶劑揮發(fā)后得到氧化銠/氧化鋁復(fù)合凝膠；(4)將步驟(3)得到的氧化銠/氧化鋁復(fù)合凝膠在400 600°C溫度下進(jìn)行煅燒，去除模板劑，獲得介孔均相氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的均相介孔氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料的制備方法，其特征在于，步驟(1)所述的模板劑為F127、P123、CTAB的一種或多種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的均相介孔氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料的制備方法，其特征在于，步驟(1)所述的鋁鹽為硝酸鋁及其水合物或氯化鋁及其水合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的均相介孔氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料的制備方法，其特征在于，步驟(2)所述的銠鹽為氯化銠及其水合物或硝酸銠及其水合物或其他可溶性銠鹽。
5.一種按照權(quán)利要求1所述的方法制備的均相介孔氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料，其特征在于，所述復(fù)合催化材料中銠與鋁的摩爾比R為0 < R < 8，氧化銠與氧化鋁相互均勻分散形成均一、穩(wěn)定的多孔疏松結(jié)構(gòu)，材料比表面積大于50 m2/g。
6.均相介孔氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料在基于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)制備甲烷催化燃燒傳感器中的應(yīng)用。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的均相介孔氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料在基于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)制備甲烷催化燃燒傳感器中的應(yīng)用，其特征在于，用于甲烷催化燃燒傳感器的檢測(cè)元件——黑元件的制作。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的均相介孔氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料在基于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)制備甲烷催化燃燒傳感器中的應(yīng)用，其特征在于，所述黑元件的制作包括以下步驟(1)將氧化銠/氧化鋁復(fù)合溶膠涂覆于微加熱器加熱區(qū)的表面；(2)將所述微加熱器放在400 600°C的高溫下進(jìn)行處理，在微加熱器加熱區(qū)的表面覆蓋介孔均勻氧化銠/氧化鋁介孔薄膜，即得到黑元件。
全文摘要
本發(fā)明均相介孔氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料的制備方法，其步驟包括①將模板劑、鋁鹽在無(wú)水乙醇中攪拌，得到均一的氧化鋁溶膠；②將銠鹽溶于去離子水中制成溶液，加至氧化鋁溶膠中，經(jīng)超聲分散得到氧化銠/氧化鋁復(fù)合溶膠；③將所述復(fù)合溶膠在室溫下攪拌，揮發(fā)溶劑后得到氧化銠/氧化鋁復(fù)合凝膠；④將所述復(fù)合凝膠在400～600℃溫度下煅燒，去除模板劑，獲得介孔均相氧化銠/氧化鋁復(fù)合催化材料；可將所述的復(fù)合催化材料用于甲烷催化燃燒傳感器的制備；其積極效果是所述復(fù)合催化材料具有高比表面積及疏松多孔結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了催化劑的催化活性；甲烷催化燃燒傳感器具有微型化、功耗低、響應(yīng)時(shí)間短，輸出信號(hào)高、信噪比大且便攜方便等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)B01J35/10GK102441375SQ20111034270
公開(kāi)日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2011年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月3日
發(fā)明者張倩, 李亮, 牛舒帆, 瞿燕, 鄭銳 申請(qǐng)人:華東理工大學(xué)