專利名稱：一種高靈敏及高選擇性光波導(dǎo)甲醛氣體傳感器的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種LiFea99A^tllPO4粉體的合成、LiFea99A^tllPO4薄膜/玻璃光波導(dǎo)氣敏元件的制備和檢測(cè)甲醛氣體的新方法的研究。
背景技術(shù)：
甲醛(HCHO)是一種原生質(zhì)毒物，毒性較大，具有潛在的致癌性，是室內(nèi)重要的污染物之一。世界衛(wèi)生組織(WHO)將甲醛列為潛在危險(xiǎn)致癌物質(zhì)和重要的環(huán)境污染物。大氣中甲醛主要來(lái)源于工業(yè)生產(chǎn)及廣泛運(yùn)用的塑料、橡膠、脲醛泡沫、樹脂、隔熱材料、黏合劑、 皮革、紡織、制藥、汽車尾氣等。目前國(guó)內(nèi)外檢測(cè)空氣中甲醛氣體的傳感器主要有生物甲醛傳感器(最低檢測(cè)濃度能達(dá)到體積比為、金屬氧化物甲醛氣體傳感器、電化學(xué)式甲醛氣體傳感器(1.6X10_2mg/ m3)、基于化學(xué)發(fā)光的甲醛氣體傳感器(0. 05mg/m3)和聲表面波甲醛傳感器(0. 6mg/m3)等， 這些傳感器的靈敏度(能夠檢測(cè)的最低濃度)都不是很高。據(jù)調(diào)查在國(guó)內(nèi)外，LiFe0.99Ag0.01P04薄膜作為敏感層的光波導(dǎo)傳感元件及其對(duì)甲醛氣體的氣敏性研究尚未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本專利研制了 LiFq 99Ag0.01P04薄膜/錫摻雜玻璃光波導(dǎo)甲醛氣體傳感元件的敏感材料及其檢測(cè)原理和方法，本器件還具有選擇性高、響應(yīng)恢復(fù)速度快、可逆性好、可以連續(xù)重復(fù)使用等特點(diǎn)。完全不同于上述各類甲醛氣體傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明利用水熱法合成了 Ag摻雜的LiFePO4粉體并將它作為敏感試劑，在錫摻雜玻璃光波導(dǎo)表面制備納米薄膜，研制了光波導(dǎo)甲醛氣體傳感器件。所研制的 LiFe0.99Ag0.01P04薄膜/錫摻雜玻璃光波導(dǎo)傳感器件對(duì)甲醛氣體具有良好的可逆響應(yīng)，其靈敏度比上述各類傳感器都要高，能夠檢測(cè)的最低濃度可達(dá)到1.25X10_4mg/m3 (體積比濃度為10_1(1)。該元件克服了上述現(xiàn)有的各類傳感器靈敏度不高的不足，還具有選擇性高、響應(yīng)恢復(fù)速度快、可逆性好、可以連續(xù)重復(fù)使用等特點(diǎn)。
四

附圖1為L(zhǎng)iFei_xAgxP04薄膜/錫摻雜玻璃光波導(dǎo)氣敏器件。附圖2為光波導(dǎo)氣體傳感測(cè)試系統(tǒng)。
五具體實(shí)施例方式將FeSO4WH2O和H3PO4及LiOH^H2O按1 1 3的摩爾比混合，然后依次加入抗壞血酸(0. Ig)和硝酸銀〔按X (Ag) I-X(LiFePO4)〕，將混合物移到水熱反應(yīng)釜中，在150°C下保溫1 進(jìn)行反應(yīng)。自然冷卻后，收集反應(yīng)釜中的固體粉末，用蒸餾水多次洗滌過濾后， 在120°C下真空干燥Ih。所得產(chǎn)物的X-射線衍射譜與(JCPDS nos. 40-1,499)標(biāo)準(zhǔn)譜圖完全一致，由此可確定所合成的產(chǎn)物為正交晶系Pmnb空間群的橄欖石結(jié)構(gòu)Lii^P04。說明水熱法可以制備結(jié)晶性好，純度較高的磷酸亞鐵鋰。錫摻雜玻璃光波導(dǎo)購(gòu)買現(xiàn)貨備用。[型號(hào)世泰 CIT0GLAS.，規(guī)格為 76X^X 1mm，江蘇世泰實(shí)驗(yàn)器材有限公司=LiFq99A^icilPO4薄膜/錫摻雜玻璃光波導(dǎo)元件的制備將取0. 02g LiFe0.99Ag0.01P04粉末溶解于混合溶劑(1. 5%的PVA與9%的抗壞血酸)中，用旋轉(zhuǎn)-甩涂法將其固定在錫摻雜(或K+交換)玻璃光波導(dǎo)表面，勻膠機(jī)的轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分，時(shí)間為25s。在玻璃光波導(dǎo)(載玻片)正中間保留寬度為0.8cm左右的薄膜(參看圖1)；在室溫，大氣壓下真空干燥M小時(shí)；制備了 LiFea99A^tllPO4薄膜/錫摻雜玻璃光波導(dǎo)甲醛氣體傳感器件，備用。光波導(dǎo)傳感測(cè)試系統(tǒng)是由激光光源、光波導(dǎo)氣敏元件及其微調(diào)架、光電倍增管、數(shù)據(jù)采集器和電腦(自編程序)等組成。選用波長(zhǎng)為630-680nm的半導(dǎo)體激光。 LWea99A^tllPO4薄膜/錫摻雜玻璃光波導(dǎo)甲醛氣體器件(如圖1)固定在光波導(dǎo)氣體傳感測(cè)試系統(tǒng)(如圖2所示)。光波導(dǎo)傳感測(cè)試系統(tǒng)是由激光光源、光波導(dǎo)氣敏器件及其固定和微調(diào)架、載氣(氮?dú)饣蚩諝?、光電倍增管、數(shù)據(jù)采集器和電腦(記錄器)組成。為了使甲醛氣體與敏感層充分接觸，采用了體積為2cmX IcmX Icm的流動(dòng)池，空氣流入流動(dòng)池的速度為60mL/min。將波長(zhǎng)為630-680nm的半導(dǎo)體激光通過玻璃棱鏡輸入到錫摻雜玻璃光波導(dǎo)， 為了使玻璃棱鏡緊貼于玻璃光波導(dǎo)，其交界面滴入二碘甲烷液體。通過光電倍增管檢出輸出光并通過數(shù)據(jù)采集器輸送電腦(記錄儀)記錄光強(qiáng)度隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟在室溫下進(jìn)行。光波導(dǎo)敏感器件對(duì)甲醛氣體的響應(yīng)當(dāng)干燥空氣流入流動(dòng)池時(shí)，輸出光強(qiáng)度基本上保持一個(gè)直線，當(dāng)一定濃度的甲醛氣體注入流動(dòng)池，并吸附到敏感層表面時(shí)，因敏感層透射率變大(吸光度減少)，引起輸出光強(qiáng)度增大。隨著甲醛氣體脫離敏感層表面，回復(fù)其透射率，并降低輸出光強(qiáng)度，最終完全恢復(fù)到原來(lái)的光強(qiáng)度。傳感器信號(hào)(輸出光強(qiáng)度)隨甲醛氣體濃度的增大而增變大；傳感器對(duì)甲醛氣體具有可逆而又重復(fù)的響應(yīng)，其輸出光強(qiáng)度變化值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(R. S. D.)為士1. 1 士4. 6%。傳感器的響應(yīng)速度快，響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別小于2s和81s。選擇性在濃度相同的條件下，傳感器件對(duì)甲醛的響應(yīng)信號(hào)非常大，各種揮發(fā)性有機(jī)物的體積比濃度為10-5時(shí)，該傳感器件對(duì)其它揮發(fā)性有機(jī)氣體的響應(yīng)可忽略不計(jì)。所以本傳感器件對(duì)甲醛具有非常高的選擇性。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明是一種高靈敏及高選擇性光波導(dǎo)甲醛氣體傳感器的制備方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述高靈敏及高選擇性光波導(dǎo)甲醛氣體傳感器的制備方法，其特征在于操作步驟為，將磷酸鐵、磷酸和氫氧化鋰按一定的摩爾比例 (FeSO4 ·7Η20 H3PO4 LiOH · H2O = 1 1 3)混合；然后加入一定量的硝酸銀，硝酸銀的量是按χ (Ag) I-X(LiFePO4)比例得到；薄膜的最佳比例為L(zhǎng)iFea99A^tllPCV
3.根據(jù)權(quán)利要求書2所述光波導(dǎo)甲醛氣體傳感器的制備方法，其特點(diǎn)在于將混合物移到水熱反應(yīng)釜中，在150°C下反應(yīng)15小時(shí)；自然冷卻后，收集反應(yīng)釜中的固體粉末，用蒸餾水多次洗滌過濾并在120°C下真空干燥1小時(shí)后備用。
4.根據(jù)權(quán)利要求書3所述高靈敏及高選擇性光波導(dǎo)甲醛氣體傳感器的制備方法，其特點(diǎn)在于將0. 02g樣品溶解于聚乙烯醇(PVA，1.5%)與抗壞血酸(Vc，9% )的混合溶劑中， 將溶液滴入玻璃光波導(dǎo)表面，用勻膠機(jī)(轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分，時(shí)間為25s)做薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求書4所述高靈敏及高選擇性光波導(dǎo)甲醛氣體傳感器的制備方法，其特點(diǎn)在于將薄膜在室溫下真空干燥M小時(shí)，利用浸漬-提拉機(jī)將薄膜兩端浸入蒸餾水，溶掉薄膜兩邊，留下寬度為0. 8cm左右的薄膜，得到如圖1所示的LWea99A^tllPO4薄膜/錫摻雜玻璃光波導(dǎo)甲醛氣體傳感元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求書1所述高靈敏及高選擇性光波導(dǎo)甲醛氣體傳感器的制備方法，其特點(diǎn)在于將LiFq99A^tllPO4薄膜/錫摻雜玻璃光波導(dǎo)甲醛氣體傳感元件固定在如圖2所示的光波導(dǎo)傳感測(cè)試系統(tǒng)中，選用波長(zhǎng)為630-680nm的半導(dǎo)體激光光源，進(jìn)行甲醛氣體的檢測(cè)。研究發(fā)現(xiàn)該傳感元件能夠檢測(cè)的最低濃度可達(dá)到lX10_4mg/m3(體積比濃度為10_1(1)。 還具有可逆響應(yīng)、響應(yīng)和恢復(fù)速度快(分別小于2s和81s)、可以連續(xù)重復(fù)使用等特點(diǎn)。
全文摘要
水熱法合成了Ag摻雜LiFePO4粉體，并將摻雜粉體溶解在聚乙烯醇與抗壞血酸混合溶劑中；將它作為敏感試劑，做成納米薄膜固定在錫摻雜玻璃光波導(dǎo)(26×26×1mm)表面，研制了LiFe0.99Ag0.01PO4薄膜/錫摻雜玻璃光波導(dǎo)甲醛氣體傳感器件。該傳感器件對(duì)甲醛氣體具有良好選擇性；其靈敏度比現(xiàn)有的各類傳感器件都要高，能夠檢測(cè)的最低濃度可達(dá)到1×10-4mg/m3(體積比濃度為10-10)。還具有可逆響應(yīng)、響應(yīng)和恢復(fù)速度快(分別小于2s和81s)、可以連續(xù)重復(fù)使用等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/01GK102235967SQ201010165010
公開日2011年11月9日 申請(qǐng)日期2010年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月7日
發(fā)明者帕提曼·尼扎木丁, 阿布力孜·伊米提 申請(qǐng)人:新疆大學(xué)