一种基于二氧化钛基多孔纳米复合材料的二氧化氮气体传感器的制备方法及应用

摘要

本发明涉及一种二氧化氮气体传感器的制备方法，具体是基于新型二氧化钛基多孔纳米复合材料所构建的气敏传感器，可用于检测环境中二氧化氮气体含量。属于新型纳米功能材料与环境监测技术领域。本发明首先制备了一种氮化碳上原位复合铈掺杂的氧化钼/二氧化钛纳米片的二维纳米复合材料Ce-MoO3/TiO2g-C3N4，利用该材料大的比表面积、介孔高气体吸附特性和电子传递受材料表面气体变化而影响敏感的诸多特性，实现了对二氧化氮气体具有灵敏、快速响应的气敏传感器的构建。

说明书

技术领域

本发明涉及一种二氧化氮气体传感器的制备方法。属于新型纳米功能材料与环境 监测技术领域。

背景技术

二氧化氮是一种棕红色、高度活性的气态物质，又称过氧化氮。二氧化氮还是酸雨 的成因之一，所带来的环境效应多种多样，包括：对湿地和陆生植物物种之间竞争与组成变 化的影响，大气能见度的降低，地表水的酸化，富营养化（由于水中富含氮、磷等营养物藻类 大量繁殖而导致缺氧）以及增加水体中有害于鱼类和其它水生生物的毒素含量。人体吸入 二氧化氮后，初期仅有轻微的眼及上呼吸道刺激症状，如咽部不适、干咳等，常经数小时至 十几小时或更长时间潜伏期后发生迟发性肺水肿、成人呼吸窘迫综合征，出现胸闷、呼吸窘 迫、咳嗽、咯泡沫痰、紫绀等。可并发气胸及纵隔气肿。

对于二氧化氮气体的检测方法主要有化学检验法和仪器检验法。化学检验法虽操 作简单，但灵敏度不高以及无法重复使用等缺点；仪器检验法，主要使用二氧化氮气体检测 仪表对空气中的二氧化氮气体浓度进行定量检测，具有灵敏度高、可重复使用、自动化程度 高等优点，而被广泛应用到工业生产当中。

对于仪器检验法所使用的二氧化氮气体检测仪，最核心的部件是对二氧化氮气体 具有定性定量响应的气敏传感器，也就是涂覆有不同纳米功能材料的气敏元件。气敏传感 器是一种检测特定气体的传感器，原理是基于声表面波器件的波速和频率会随外界环境的 变化而发生漂移。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传 感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。

灵敏度是气敏传感器气敏特性的重要表征。灵敏度定义为传感器在大气气氛中的 电阻值R_a与传感器在一定浓度的被测气体气氛中的电阻值R_g的比值，即

因此，探究吸附性强、稳定性能好、催化活性高、对二氧化氮气体具有特异性识别和可 定量检测的气敏传感材料，进而制备具有灵敏度高、响应快速、恢复时间短等特性的二氧化 氮气体传感器对工业生产、人类健康具有重要的应用价值，同时也是环境监测技术领域研 究的重点和难点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备简单、灵敏度高、检测快速的可用于二氧化氮气 体检测的气敏传感器的制备方法，所制备的传感器，可用于二氧化氮气体的快速、灵敏检 测。基于此目的，本发明首先制备了一种新型二维纳米复合材料——二氧化钛基多孔纳米 复合材料，即氮化碳上原位复合铈掺杂的氧化钼/二氧化钛纳米片的二维纳米复合材料Ce- MoO₃/TiO₂g-C₃N₄，利用该材料大的比表面积、介孔高气体吸附特性和电子传递受材料表面 气体变化而影响敏感的诸多特性，实现了对二氧化氮气体具有灵敏、快速响应的气敏传感 器的构建。

本发明采用的技术方案如下：

1.一种基于二氧化钛基多孔纳米复合材料的二氧化氮气体传感器的制备方法，所述 的二氧化钛基多孔纳米复合材料为氮化碳上原位复合铈掺杂的氧化钼/二氧化钛纳米片的 二维纳米复合材料Ce-MoO₃/TiO₂g-C₃N₄；

其特征在于，所述的制备方法包括以下制备步骤：

（1）Ce-MoO₃/TiO₂g-C₃N₄的制备；

（2）二氧化氮气体传感器的制备；

其中，步骤（1）制备Ce-MoO₃/TiO₂g-C₃N₄的具体步骤为：

首先，取0.6~1.0mmol钼酸钠和0.8~1.2mmol铈盐加入到5mL钛酸四丁酯中，搅拌过 程中，缓慢加入0.5~0.8mL氢氟酸，160~200℃下在反应釜中反应18~24小时，冷却至室温 后，用超纯水和无水乙醇离心洗涤三次后，50℃下真空干燥；其次，取150~250mg干燥后的 固体与400mg三聚氰胺混合，并研磨成粉末；然后，将研磨的粉末放入马弗炉中，升温速度 为1~3℃/min，在480~560℃下煅烧0.5~5小时；最后，将煅烧后的粉末冷却至室温，即制得 Ce-MoO₃/TiO₂g-C₃N₄；

所述的铈盐选自下列之一：硫酸铈、氯化铈、硝酸铈；

步骤（2）制备二氧化氮气体传感器的具体步骤为：

首先，取步骤（1）中制备的Ce-MoO₃/TiO₂g-C₃N₄100mg和0.5~2.0mmol氧化铈置于研 钵中，加入无水乙醇，研磨至糊状后均匀涂覆在绝缘陶瓷管表面形成涂膜，在室温下晾干； 然后，将陶瓷管两侧的铂丝以及加热丝与底座进行焊接；最后，将焊接好的元件放置在检测 仪器中，通过调节加热电压至4.22V进行老化处理，即制得二氧化氮气体传感器。

2．如权利要求1所述的制备方法所制备的二氧化氮气体传感器的应用，其特征在 于，可以应用于二氧化氮气体的检测，检出限为0.005mg/m³。

本发明的有益成果

（1）本发明所述的二氧化氮气体传感器制备简单，操作方便，实现了对二氧化氮气体的 快速、灵敏、高选择性检测，具有市场发展前景；

（2）本发明首次制备了新型二维纳米材料Ce-MoO₃/TiO₂g-C₃N₄，由于铈在氧化钼/二氧 化钛纳米片上的原位生长而充分与二氧化钛纳米片接触，利用铈的金属表面等离子体作用 以及氧化钼和二氧化钛二者的相互促进作用，有效提高了半导体基质电子传递能力和催化 活性，而且铈对二氧化氮气体地特异性相应，解决了二氧化钛纳米片虽然比表面积比较大 及介孔高气体吸附特性适用于二氧化氮气敏基质材料，但是气敏活性不高及阻抗变化不稳 定的技术问题；同时由于氮化碳g-C₃N₄的良好的导电性，再加上二氧化钛纳米片在其上的充 分分散，极大地增大了电子传递能力，解决了气敏基质材料阻抗随气体变化而快速响应的 技术问题，因此，该材料的有效制备，具有重要的科学意义和应用价值。

具体实施方式

实施例1Ce-MoO₃/TiO₂g-C₃N₄的制备

首先，取0.6mmol钼酸钠和0.8mmol铈盐加入到5mL钛酸四丁酯中，搅拌过程中，缓慢 加入0.5mL氢氟酸，160℃下在反应釜中反应24小时，冷却至室温后，用超纯水和无水乙醇 离心洗涤三次后，50℃下真空干燥；其次，取150mg干燥后的固体与400mg三聚氰胺混合， 并研磨成粉末；然后，将研磨的粉末放入马弗炉中，升温速度为1℃/min，在480℃下煅烧 5小时；最后，将煅烧后的粉末冷却至室温，即制得Ce-MoO₃/TiO₂g-C₃N₄；

所述的铈盐为硫酸铈。

实施例2Ce-MoO₃/TiO₂g-C₃N₄的制备

首先，取0.8mmol钼酸钠和1.0mmol铈盐加入到5mL钛酸四丁酯中，搅拌过程中，缓慢 加入0.65mL氢氟酸，180℃下在反应釜中反应21小时，冷却至室温后，用超纯水和无水乙 醇离心洗涤三次后，50℃下真空干燥；其次，取200mg干燥后的固体与400mg三聚氰胺混 合，并研磨成粉末；然后，将研磨的粉末放入马弗炉中，升温速度为2℃/min，在520℃下 煅烧2小时；最后，将煅烧后的粉末冷却至室温，即制得Ce-MoO₃/TiO₂g-C₃N₄；

所述的铈盐为氯化铈。

实施例3Ce-MoO₃/TiO₂g-C₃N₄的制备

首先，取1.0mmol钼酸钠和1.2mmol铈盐加入到5mL钛酸四丁酯中，搅拌过程中，缓慢 加入0.8mL氢氟酸，200℃下在反应釜中反应18小时，冷却至室温后，用超纯水和无水乙 醇离心洗涤三次后，50℃下真空干燥；其次，取250mg干燥后的固体与400mg三聚氰胺混 合，并研磨成粉末；然后，将研磨的粉末放入马弗炉中，升温速度为3℃/min，在560℃下煅 烧0.5小时；最后，将煅烧后的粉末冷却至室温，即制得Ce-MoO₃/TiO₂g-C₃N₄；

所述的铈盐为硝酸铈。

实施例4二氧化氮气体传感器的制备

首先，取实施例1中制备的Ce-MoO₃/TiO₂g-C₃N₄100mg和0.5mmol氧化铈置于研钵 中，加入无水乙醇，研磨至糊状后均匀涂覆在绝缘陶瓷管表面形成涂膜，在室温下晾干；然 后，将陶瓷管两侧的铂丝以及加热丝与底座进行焊接；最后，将焊接好的元件放置在检测仪 器中，通过调节加热电压至4.22V进行老化处理，即制得二氧化氮气体传感器，应用于二氧 化氮气体的检测，检出限为0.005mg/m³。

实施例5二氧化氮气体传感器的制备

首先，取实施例2中制备的Ce-MoO₃/TiO₂g-C₃N₄100mg和1.2mmol氧化铈置于研钵 中，加入无水乙醇，研磨至糊状后均匀涂覆在绝缘陶瓷管表面形成涂膜，在室温下晾干；然 后，将陶瓷管两侧的铂丝以及加热丝与底座进行焊接；最后，将焊接好的元件放置在检测仪 器中，通过调节加热电压至4.22V进行老化处理，即制得二氧化氮气体传感器，应用于二氧 化氮气体的检测，检出限为0.005mg/m³。

实施例6二氧化氮气体传感器的制备

首先，取实施例3中制备的Ce-MoO₃/TiO₂g-C₃N₄100mg和2.0mmol氧化铈置于研钵 中，加入无水乙醇，研磨至糊状后均匀涂覆在绝缘陶瓷管表面形成涂膜，在室温下晾干；然 后，将陶瓷管两侧的铂丝以及加热丝与底座进行焊接；最后，将焊接好的元件放置在检测仪 器中，通过调节加热电压至4.22V进行老化处理，即制得二氧化氮气体传感器，应用于二氧 化氮气体的检测，检出限为0.005mg/m³。