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原文传递一种基于金属钼酸盐纳米复合材料的气体传感器及其制备方法

专利名称：	一种基于金属钼酸盐纳米复合材料的气体传感器及其制备方法
摘要：	本发明属于气体传感器技术领域，涉及一种基于金属钼酸盐纳米复合材料的气体传感器及其制备方法；所述传感器的环形金电极上涂覆有金属钼酸盐纳米复合材料薄膜，所述金属钼酸盐纳米复合材料具体制备工艺为:先将钼酸铵、硫脲和氟化铵等按照水热合成的方法制备MoS2粉末，同时将半导体金属盐通过水热合成的方法制备半导体金属氧化物悬浮液；再将硫化钼粉末与半导体金属氧化物悬浮液水热合成硫化钼纳米复合材料前驱体，将制得的硫化钼纳米复合材料前驱体气氛煅烧制得金属钼酸盐纳米复合材料；所述乙醇气体传感器对乙醇具有高选择性，灵敏度高、稳定性佳，使用寿命长，对乙醇气体的响应时间和恢复时间短，性能优异，对乙醇气体报警迅速及时。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	山东;37
申请人：	青岛大学
发明人：	谢万峰;王昱冲;张峰华;袁子童;关延峰;孟玉;杨沛霖
专利状态：	有效
申请日期：	2019-01-25T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-21T00:00:00+0800
申请号：	CN201910070728.4
公开号：	CN109781800A
代理机构：	青岛高晓专利事务所(普通合伙)
代理人：	张世功
分类号：	G01N27/22(2006.01);G;G01;G01N;G01N27
申请人地址：	266061 山东省青岛市崂山区香港东路7号
主权项：	1.一种基于金属钼酸盐纳米复合材料的气体传感器，由外表面带有2个分立的环形金电极的Al2O3绝缘陶瓷管、穿过Al2O3绝缘陶瓷管内部的镍镉合金线圈以及涂覆在Al2O3绝缘陶瓷管外表面和环形金电极上的敏感材料薄膜构成，其特征在于：敏感材料为金属钼酸盐纳米复合材料。 2.根据权利要求1所述的基于金属钼酸盐纳米复合材料的气体传感器，其特征在于：所述金属钼酸盐纳米复合材料具体制备工艺为: 步骤1：制备硫化钼粉末：将钼酸铵、硫脲、氟化铵和柠檬酸按照水热合成的方法制备MoS2悬浮液，然后将MoS2悬浮液洗涤、超声、离心和干燥制得MoS2粉末；步骤2：制备半导体金属氧化物悬浮液：将半导体金属盐通过水热合成的方法制备半导体金属氧化物悬浮液；步骤3：制备硫化钼纳米复合材料前驱体：将所述硫化钼粉末与所述半导体金属氧化物悬浮液在高压釜中水热合成硫化钼纳米复合材料前驱体并进行洗涤和干燥处理；步骤4：制备金属钼酸盐纳米复合材料：将步骤3制得的硫化钼纳米复合材料前驱体在氧化铝坩埚中气氛煅烧，冷却后制得金属钼酸盐纳米复合材料。 3.根据权利要求1所述的基于金属钼酸盐纳米复合材料的气体传感器，其特征在于：所述敏感材料为纳米花状In2(MoO4)3@In2O3纳米复合材料。 4.根据权利要求3所述的基于金属钼酸盐纳米复合材料的气体传感器，其特征在于：所述纳米花状In2(MoO4)3@In2O3纳米复合材料具体制备工艺为: 步骤1：制备硫化钼粉末：将钼酸铵、硫脲、氟化铵和柠檬酸按照水热合成的方法制备MoS2悬浮液，然后将MoS2悬浮液洗涤、超声、离心和干燥制得MoS2粉末，具体操作步骤如下： (1)5mmol钼酸铵,30mmol硫脲和5mmol氟化铵溶解在50毫升蒸馏水中,并剧烈搅拌30分钟，常温常压下进行； (2)在上述溶液中加入2mmol柠檬酸,然后将获得的溶液转移到60毫升聚四氟乙烯内衬高压釜中，并在200℃下加热24h，制得MoS2悬浮液； (3)将所得的MoS2悬浮液先用无水乙醇多次清洗再用去离子水多次清洗，然后利用超声波超声10分钟，再以6900转/分钟的离心速率离心30分钟，去除多余的离子，最后在真空干燥室中在80℃下干燥7-12小时，得到黑色MoS2粉末；步骤2：制备In2O3悬浮液：将氯化铟和氢氧化钠通过水热合成的方法制备In2O3悬浮液，具体步骤如下： (1)在常温常压下，将0.7mmol氯化铟和3mmol氢氧化钠分别加入50ml去离子水中搅拌30分钟， (2)然后将上述溶液分别转移到60毫升不锈钢高压釜,在160℃下放置12h制得In2O3悬浮液；步骤3：制备In2O3@MoS2前驱体：将所述硫化钼粉末与所述In2O3悬浮液在高压釜中水热合成In2O3@MoS2前驱体，具体步骤如下： (1)先将0.2、0.3和0.4mmol MoS2粉末分别与所述In2O3悬浮液混合搅拌6h， (2)然后在190℃的不锈钢高压釜中水浴加热24小时制得沉淀物，所得沉淀物先用去离子水多次洗涤，再用无水乙醇多次洗涤，除去杂质离子， (3)最后在80℃下干燥12h，制得三组In2O3@MoS2前驱体；步骤4：制备纳米花状In2(MoO4)3@In2O3结晶纳米复合材料：将步骤3制得的三组In2O3@MoS2前驱体在氧化铝坩埚中气氛煅烧，冷却后制得三组纳米花状In2(MoO4)3@In2O3纳米复合材料，具体步骤如下： (1)先分别取200mg所述三组In2O3@MoS2前驱体在玛瑙砂浆中均匀化， (2)然后装入氧化铝坩埚中在500℃下预热3h，再在坩埚中以700℃热处理48h，热处理完毕后室温下进行研磨， (3)最后在780℃下加热20h，加热结束后在窑炉中冷却，制得三组纳米花状In2(MoO4)3@In2O3纳米复合材料。所述的所有加热步骤的加热速率均设定在1℃/min；将制得的三组纳米花状In2(MoO4)3@In2O3纳米复合材料根据纳米复合材料中钼元素与铟元素的摩尔质量比Mo:In＝2:8、Mo:In＝3:7和Mo:In＝4:6分别取名为In2(MoO4)3@5In2O3、In2(MoO4)3@2.5In2O3和In2(MoO4)3@1.25In2O3。 5.根据权利要求3所述的基于金属钼酸盐纳米复合材料的气体传感器，其特征在于：将所述的In2(MoO4)3@In2O3纳米复合材料与3-8滴去离子水混合成糊状，然后将糊状物均匀涂抹在气体传感器氧化铝陶瓷管上,在60℃下干燥12h，制得基于纳米花状In2(MoO4)3@In2O3纳米复合材料的乙醇气体传感器。 6.根据权利要求4所述的基于金属钼酸盐纳米复合材料的气体传感器，其特征在于：所述基于纳米花状In2(MoO4)3@In2O3纳米复合材料的乙醇气体传感器的气体传感性能都与工作温度密切相关，当温度为300℃时，基于钼元素与铟元素的摩尔质量比为3:7的In2(MoO4)3@2.5In2O3的传感器的电阻变化率达到最大值ρ＝0.81，300℃是In2(MoO4)3@In2O3气体传感器的最佳工作温度。 7.根据权利要求4所述的基于金属钼酸盐纳米复合材料的气体传感器，其特征在于：所述的钼元素与铟元素的摩尔质量比为3:7的In2(MoO4)3@2.5In2O3的气体传感器在300℃下对50ppm乙醇具有良好的传感特性，In2(MoO4)3@2.5In2O3的气体传感器的对50ppm乙醇响应值Sr＝81。 8.根据权利要求4所述的基于金属钼酸盐纳米复合材料的气体传感器，其特征在于：所述的In2(MoO4)3@2.5In2O3的气体传感器在最佳工作温度为300℃时对50ppm丙酮、NH3、甲醇、乙二醇和乙醇的响应值分别为2.2、2.7、1.5、1.1、2.7和80.5，In2(MoO4)3@2.5In2O3的气体传感器对乙醇具有良好的选择性。 9.根据权利要求4所述的基于金属钼酸盐纳米复合材料的气体传感器，其特征在于：所述的In2(MoO4)3@2.5In2O3的气体传感器在80％相对湿度下进行1、30、60和90天的长期可靠性能测试，In2(MoO4)3@2.5In2O3传感器能够在五个连续的循环中保持初始响应幅度而没有明显衰减，In2(MoO4)3@2.5In2O3的纳米复合材料具有较强的稳定性。 10.根据权利要求4所述的基于金属钼酸盐纳米复合材料的气体传感器，其特征在于：应用基于In2(MoO4)3@2.5In2O3的气体传感器检测乙醇气体的方法，具体检测过程为：当基于In2(MoO4)3@2.5In2O3的气体传感器处于正常空气中时，暴露在空气中的n型半导体材料In2O3的表面化学吸附氧分子，氧分子捕获In2O3的导带Ec变成O-、O2-和O2-，O-、O2-和O2-通过从In2O3的导带Ec中捕获电子，导致载流子的减少和耗尽层电子的增加，In2O3的电阻将处于较高的水平，反应过程为： O2(g)+2e-→O-，O2-，O2- (1) 当基于In2(MoO4)3@2.5In2O3的气体传感器暴露在乙醇气体中时，活性氧O-与C2H6O分子发生反应。反应过程表达如下： C2H5OH+O2-→CH3CHO+H2O(gas)+e- (2) CH3CHO+5O2-→2CO2+2H2O(gas)+5e- (3) 反应(2)和(3)中释放电子返回到In2O3的导带Ec中，使得活性材料中电子浓度增加，器件电阻降低；当基于In2(MoO4)3@2.5In2O3的气体传感器接触到乙醇气体时，由于In2(MoO4)3@2.5In2O3表面存在大量活性反应位点，基于In2(MoO4)3@2.5In2O3的气体传感器的电阻急剧变化，实现对乙醇气体的高选择性检测。
所属类别：	发明专利