一種基于二維多孔納米復(fù)合材料負(fù)載鈀的丙酮?dú)怏w傳感器的制備方法及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種丙酮?dú)怏w傳感器的制備方法，屬于新型納米功能材料與環(huán)境監(jiān)測(cè)
技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 丙酮(acetone，CH3C0CH3)，又名二甲基酮，為最簡(jiǎn)單的飽和酮。是一種無(wú)色透明液 體，有特殊的辛辣氣味。易溶于水和甲醇、乙醇、乙醚、氯仿、吡啶等有機(jī)溶劑。易燃、易揮發(fā)， 化學(xué)性質(zhì)較活潑。急性中毒主要表現(xiàn)為對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的麻醉作用，出現(xiàn)乏力、惡心、頭痛、 頭暈、易激動(dòng)。重者發(fā)生嘔吐、氣急、痙攣，甚至昏迷。對(duì)眼、鼻、喉有刺激性?？诜?，先有口 唇、咽喉有燒灼感，后出現(xiàn)□干、嘔吐、昏迷、酸中毒和酮癥。
[0003] 對(duì)于丙酮?dú)怏w的檢測(cè)方法主要有化學(xué)檢驗(yàn)法和儀器檢驗(yàn)法?；瘜W(xué)檢驗(yàn)法雖操作簡(jiǎn) 單，但靈敏度不高以及無(wú)法重復(fù)使用等缺點(diǎn);儀器檢驗(yàn)法，主要使用丙酮?dú)怏w檢測(cè)儀表對(duì)空 氣中的丙酮?dú)怏w濃度進(jìn)行定量檢測(cè)，具有靈敏度高、可重復(fù)使用、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，而 被廣泛應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。
[0004] 對(duì)于儀器檢驗(yàn)法所使用的丙酮?dú)怏w檢測(cè)儀，最核心的部件是對(duì)丙酮?dú)怏w具有定性 定量響應(yīng)的氣敏傳感器，也就是涂覆有不同納米功能材料的氣敏元件。氣敏傳感器是一種 檢測(cè)特定氣體的傳感器，原理是基于聲表面波器件的波速和頻率會(huì)隨外界環(huán)境的變化而發(fā) 生漂移。它主要包括半導(dǎo)體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學(xué)氣敏傳感器等，其 中用的最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。
[0005] 靈敏度是氣敏傳感器氣敏特性的重要表征。靈敏度定義為傳感器在大氣氣氛中的 電阻值Ra與傳感器在一定濃度的被測(cè)氣體氣氛中的電阻值R g的比值，即
因此，探究吸附性強(qiáng)、穩(wěn)定性能好、催化活性高、對(duì)丙酮?dú)怏w具有特異性識(shí)別和可定量 檢測(cè)的氣敏傳感材料，進(jìn)而制備具有靈敏度高、響應(yīng)快速、恢復(fù)時(shí)間短等特性的丙酮?dú)怏w傳 感器對(duì)工業(yè)生產(chǎn)、人類健康具有重要的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也是環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域研究的重點(diǎn) 和難點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種制備簡(jiǎn)單、靈敏度高、檢測(cè)快速的可用于丙酮?dú)怏w檢 測(cè)的氣敏傳感器的制備方法，所制備的傳感器，可用于丙酮?dú)怏w的快速、靈敏檢測(cè)?；诖?目的，本發(fā)明首先制備了一種新型二維納米復(fù)合材料，即鈰和鈷雙金屬共摻雜的二氧化鈦 納米片原位復(fù)合氮化碳二維納米復(fù)合材料CeC〇-Ti〇2/g-C3N4,利用該材料大的比表面積、介 孔高氣體吸附特性和電子傳遞受材料表面氣體變化而影響敏感的諸多特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)丙酮 氣體具有靈敏、快速響應(yīng)的氣敏傳感器的構(gòu)建。
[0007] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下： 1. 一種基于二維多孔納米復(fù)合材料負(fù)載鈀的丙酮?dú)怏w傳感器的制備方法，所述的二 維多孔納米復(fù)合材料為鈰和鈷雙金屬共摻雜的二氧化鈦納米片原位復(fù)合氮化碳二維納米 復(fù)合材料CeC〇-Ti〇2/g_C3N4，所述的鈀為鈀納米粒子； 其特征在于，所述的制備方法包括以下制備步驟： (1) CeCo-T i 02/g-C3N4的制備； (2) 丙酮?dú)怏w傳感器的制備； 其中，步驟（1)制備CeC〇-Ti02/g-C3N4的具體步驟為： 首先，取0.8 mmol鈰鹽和0.8~1.2 mmol鈷鹽加入到5 mL鈦酸四丁酯中，攪拌過(guò)程中，緩 慢加入0.5~0.8 mL氫氟酸，160~200 °C下在反應(yīng)釜中反應(yīng)18~24小時(shí)，冷卻至室溫后，用超 純水和無(wú)水乙醇離心洗滌三次后，50°C下真空干燥；其次，取150~250 mg干燥后的固體與 400 mg三聚氰胺混合，并研磨成粉末;然后，將研磨的粉末放入馬弗爐中，升溫速度為1~3 °C/min，在480~560 °C下煅燒0.5~5小時(shí)；最后，將煅燒后的粉末冷卻至室溫，即制得CeCo-Ti02/g-C3N4； 所述的鈰鹽選自下列之一:硫酸鈰、氯化鈰、硝酸鈰； 所述的鈷鹽選自下列之一:硫酸鈷、氯化鈷、硝酸鈷； 步驟(2)制備丙酮?dú)怏w傳感器的具體步驟為： 首先，取步驟（1)中制備的CeC〇-Ti02/g-C3N4 100 mg和0.5~2.0 mmol氯化鈀置于研缽 中，加入無(wú)水乙醇，研磨至糊狀后均勻涂覆在絕緣陶瓷管表面形成涂膜，在室溫下晾干;然 后，將陶瓷管兩側(cè)的鉑絲以及加熱絲與底座進(jìn)行焊接;最后，將焊接好的元件放置在檢測(cè)儀 器中，通過(guò)調(diào)節(jié)加熱電壓至4.22V進(jìn)行老化處理，即制得丙酮?dú)怏w傳感器。
[0008] 2.本發(fā)明所述的制備方法所制備的丙酮?dú)怏w傳感器的應(yīng)用，其特征在于，可以應(yīng) 用于丙酮?dú)怏w的檢測(cè)，檢出限為0.001 mg/m3。
[0009] 本發(fā)明的有益成果 (1) 本發(fā)明所述的丙酮?dú)怏w傳感器制備簡(jiǎn)單，操作方便，實(shí)現(xiàn)了對(duì)丙酮?dú)怏w的快速、靈 敏、高選擇性檢測(cè)，具有市場(chǎng)發(fā)展前景； (2) 本發(fā)明首次制備了新型基質(zhì)材料〇6(：〇-1'；[02/^-03仏，由于鋪、鈷在二氧化鈦納米片 上的原位生長(zhǎng)而充分與二氧化鈦納米片接觸，利用鈰、鈷的金屬表面等離子體作用以及二 者的相互促進(jìn)作用，有效提高了半導(dǎo)體基質(zhì)電子傳遞能力和催化活性，解決了二氧化鈦納 米片雖然比表面積比較大及介孔高氣體吸附特性適用于氣敏基質(zhì)材料，但是氣敏活性不高 及阻抗變化不穩(wěn)定的技術(shù)問(wèn)題；同時(shí)由于氮化碳g-C 3N4的良好的導(dǎo)電性，再加上二氧化鈦納 米片在其上的充分分散，極大地增大了電子傳遞能力，解決了氣敏基質(zhì)材料阻抗隨氣體變 化而快速響應(yīng)的技術(shù)問(wèn)題;而且，通過(guò)金屬鈀的摻雜，解決了特異性檢測(cè)丙酮?dú)怏w的技術(shù)問(wèn) 題。因此，該材料的有效制備，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。
【具體實(shí)施方式】
[0010] 實(shí)施例 1 CeC〇-Ti02/g-C3N4 的制備 首先，取0.8 mmol鋪鹽和0.8 mmol鈷鹽加入到5 mL鈦酸四丁酯中，攪拌過(guò)程中，緩慢加 入0.5 mL氫氟酸，160 °C下在反應(yīng)釜中反應(yīng)24小時(shí)，冷卻至室溫后，用超純水和無(wú)水乙醇離 心洗滌三次后，50°C下真空干燥;其次，取150 mg干燥后的固體與400 mg三聚氰胺混合，并 研磨成粉末;然后，將研磨的粉末放入馬弗爐中，升溫速度為1 °C/min，在480 °C下煅燒5 小時(shí);最后，將煅燒后的粉末冷卻至室溫，即制得CeC〇-Ti02/g-C3N4; 所述的鋪鹽為硫酸鋪； 所述的鈷鹽為硫酸鈷。
[0011] 實(shí)施例2 CeC〇-Ti02/g-C3N4的制備 首先，取0.8 mmol鋪鹽和1.0 mmol鈷鹽加入到5 mL鈦酸四丁酯中，攪拌過(guò)程中，緩慢加 入0.65 mL氫氟酸，180 °C下在反應(yīng)釜中反應(yīng)21小時(shí)，冷卻至室溫后，用超純水和無(wú)水乙醇 離心洗滌三次后，50°C下真空干燥;其次，取200 mg干燥后的固體與400 mg三聚氰胺混合， 并研磨成粉末;然后，將研磨的粉末放入馬弗爐中，升溫速度為2 °C/min，在520 °C下煅燒 2小時(shí);最后，將煅燒后的粉末冷卻至室溫，即制得CeC〇-Ti02/g-C3N4; 所述的鈰鹽為氯化鈰； 所述的鈷鹽為氯化鈷。
[0012] 實(shí)施例3 CeC〇-Ti02/g-C3N4的制備 首先，取0.8 mmol鋪鹽和1.2 mmol鈷鹽加入到5 mL鈦酸四丁酯中，攪拌過(guò)程中，緩慢加 入0.8 mL氫氟酸，200 °C下在反應(yīng)釜中反應(yīng)18小時(shí)，冷卻至室溫后，用超純水和無(wú)水乙醇 離心洗滌三次后，50°C下真空干燥;其次，取250 mg干燥后的固體與400 mg三聚氰胺混合， 并研磨成粉末;然后，將研磨的粉末放入馬弗爐中，升溫速度為3 °C/min，在560°C下煅燒 〇. 5小時(shí);最后，將煅燒后的粉末冷卻至室溫，即制得CeC〇-Ti02/g-C3N4; 所述的鋪鹽為硝酸鋪； 所述的鈷鹽為硝酸鈷。
[0013] 實(shí)施例4丙酮?dú)怏w傳感器的制備 首先，取實(shí)施例1中制備的CeC〇-Ti02/g-C3N4 100 mg和0.5 mmol氯化鈀置于研缽中，加 入無(wú)水乙醇，研磨至糊狀后均勻涂覆在絕緣陶瓷管表面形成涂膜，在室溫下晾干;然后，將 陶瓷管兩側(cè)的鉑絲以及加熱絲與底座進(jìn)行焊接;最后，將焊接好的元件放置在檢測(cè)儀器中， 通過(guò)調(diào)節(jié)加熱電壓至4.22V進(jìn)行老化處理，即制得丙酮?dú)怏w傳感器，應(yīng)用于丙酮?dú)怏w的檢 測(cè)，檢出限為0.001 mg/m3。
[0014] 實(shí)施例5丙酮?dú)怏w傳感器的制備 首先，取實(shí)施例2中制備的CeC〇-Ti02/g-C3N4 100 mg和1.2 mmol氯化鈀置于研缽中，加 入無(wú)水乙醇，研磨至糊狀后均勻涂覆在絕緣陶瓷管表面形成涂膜，在室溫下晾干;然后，將 陶瓷管兩側(cè)的鉑絲以及加熱絲與底座進(jìn)行焊接;最后，將焊接好的元件放置在檢測(cè)儀器中， 通過(guò)調(diào)節(jié)加熱電壓至4.22V進(jìn)行老化處理，即制得丙酮?dú)怏w傳感器，應(yīng)用于丙酮?dú)怏w的檢 測(cè)，檢出限為0.001 mg/m3。
[0015] 實(shí)施例6丙酮?dú)怏w傳感器的制備 首先，取實(shí)施例3中制備的CeC〇-Ti02/g-C3N4 100 mg和2.0 mmol氯化鈀置于研缽中，加 入無(wú)水乙醇，研磨至糊狀后均勻涂覆在絕緣陶瓷管表面形成涂膜，在室溫下晾干;然后，將 陶瓷管兩側(cè)的鉑絲以及加熱絲與底座進(jìn)行焊接;最后，將焊接好的元件放置在檢測(cè)儀器中， 通過(guò)調(diào)節(jié)加熱電壓至4.22V進(jìn)行老化處理，即制得丙酮?dú)怏w傳感器，應(yīng)用于丙酮?dú)怏w的檢 狽!]，檢出限為0.001 mg/m3。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于二維多孔納米復(fù)合材料負(fù)載鈀的丙酮?dú)怏w傳感器的制備方法，所述的二維 多孔納米復(fù)合材料為鈰和鈷雙金屬共摻雜的二氧化鈦納米片原位復(fù)合氮化碳二維納米復(fù) 合材料〇6&3-11〇2/^-〇3他，所述的鈀為鈀納米粒子； 其特征在于，所述的制備方法包括以下制備步驟： (1 )CeC〇-Ti02/g-C3N4的制備； (2)丙酮?dú)怏w傳感器的制備； 其中，步驟（1)制備CeC〇-Ti02/g-C3N4的具體步驟為： 首先，取0.8 mmol鈰鹽和0.8~1.2 mmol鈷鹽加入到5 mL鈦酸四丁酯中，攪拌過(guò)程中，緩 慢加入0.5~0.8 mL氫氟酸，160~200 °C下在反應(yīng)釜中反應(yīng)18~24小時(shí)，冷卻至室溫后，用超 純水和無(wú)水乙醇離心洗滌三次后，50°C下真空干燥；其次，取150~250 mg干燥后的固體與 400 mg三聚氰胺混合，并研磨成粉末;然后，將研磨的粉末放入馬弗爐中，升溫速度為1~3 °C/min，在480~560 °C下煅燒0.5~5小時(shí)；最后，將煅燒后的粉末冷卻至室溫，即制得CeCo-Ti02/g-C3N4； 所述的鈰鹽選自下列之一:硫酸鈰、氯化鈰、硝酸鈰； 所述的鈷鹽選自下列之一:硫酸鈷、氯化鈷、硝酸鈷； 步驟(2)制備丙酮?dú)怏w傳感器的具體步驟為： 首先，取步驟（1)中制備的CeC〇-Ti02/g-C3N4 100 mg和0.5~2.0 mmol氯化鈀置于研缽 中，加入無(wú)水乙醇，研磨至糊狀后均勻涂覆在絕緣陶瓷管表面形成涂膜，在室溫下晾干;然 后，將陶瓷管兩側(cè)的鉑絲以及加熱絲與底座進(jìn)行焊接;最后，將焊接好的元件放置在檢測(cè)儀 器中，通過(guò)調(diào)節(jié)加熱電壓至4.22V進(jìn)行老化處理，即制得丙酮?dú)怏w傳感器。2. 如權(quán)利要求1所述的制備方法所制備的丙酮?dú)怏w傳感器的應(yīng)用，其特征在于，可以應(yīng) 用于丙酮?dú)怏w的檢測(cè)，檢出限為0.001 mg/m3。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種丙酮?dú)怏w傳感器的制備方法，具體是基于新型二維納米復(fù)合材料所構(gòu)建的氣敏傳感器，可用于檢測(cè)環(huán)境中丙酮?dú)怏w含量。屬于新型納米功能材料與環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明首先制備了一種鈰和鈷雙金屬共摻雜的二氧化鈦納米片原位復(fù)合氮化碳二維納米復(fù)合材料CeCo-TiO2/g-C3N4，利用該材料大的比表面積、介孔高氣體吸附特性和電子傳遞受材料表面氣體變化而影響敏感的諸多特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)丙酮?dú)怏w具有靈敏、快速響應(yīng)的氣敏傳感器的構(gòu)建。
【IPC分類】G01N27/02
【公開(kāi)號(hào)】CN105606655
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610101723
【發(fā)明人】張勇, 魏琴, 胡麗華, 任祥, 孫旭
【申請(qǐng)人】濟(jì)南大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年5月25日
【申請(qǐng)日】2016年2月25日