一种抗有机硅中毒的双涂层甲烷气体传感器及其制备方法

摘要

本发明属于半导体氧化物气体传感器与环境监测技术领域，提供一种抗有机硅中毒的双涂层甲烷气体传感器及其制备方法。本发明采用旁热式厚膜气敏元件制备工艺所制作的甲烷气体传感器不仅包含醋酸钯负载的纳米SnO2敏感材料层，还包含敏感材料层表面的Pt掺杂的Al2O3和SiO2混合抗毒催化层。因敏感材料表面的抗毒催化层的存在，传感器在对CH4气体表现出较高的灵敏度及较好的响应‑恢复特性的同时，还具有良好的抗有机硅中毒性能。本发明所采用的材料制备以及气体传感器制备工艺具有工艺简单、原料成本低、制备周期短等优点，可用于工业化、大批量生产。因而所述传感器在环境中甲烷气体含量检测方面有广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于半导体氧化物气体传感器与环境监测技术领域，具体涉及一种抗有机硅中毒且具有敏感材料层与表面抗毒催化层的双涂层甲烷气体传感器及其制备方法。

背景技术

甲烷气体在自然界的分布很广，是天然气、沼气、煤矿坑道气及可燃冰的主要成分之一，是一种无色、无味、易燃、易爆气体，当其室内浓度达到一定值时，遇明火很容易发生火灾、爆炸事故。目前，随着天然气的在人们生活中的普及，因天然气泄漏造成的安全事故也越来越多，人们希望对甲烷气体进行监测以减少因其泄露而造成的各种安全隐患。同时，作为煤矿瓦斯气体的主要成分之一，对甲烷气体进行有效的监测能在很大程度上减少因瓦斯爆炸而造成的安全事故。

纳米SnO₂气敏材料因其具有的良好的气敏性能、物理化学性能以及较低的生产成本等优点，成为目前使用最普遍的气敏材料之一。虽然纯纳米SnO₂气体传感器对甲烷气体有一定的检测效果，但也存在着灵敏度低、选择性和稳定性差等问题。研究发现，对纳米SnO₂基体材料进行掺杂是一种提高传感器特性的新途径，其中，贵金属催化剂因其具有操作简单、催化活性高、循环性能好等优点而被添加进各种半导体氧化物基体材料中，以提高基体材料的灵敏度、改善其选择性及稳定性等。金属Pd因对CH₄气体具有良好的催化效果而被广泛应用于甲烷气体传感器领域。

然而Pd金催化剂在某些特殊气体气氛中使用时，容易出现催化剂中毒、失活等问题，导致传感器对待测气体的气敏响应特性变差，甚至失去气敏活性，这在一定程度上影响了气体传感器的使用。许多硫化合物、卤素以及有机硅化合物均能使Pd金催化剂中毒，其中以有机硅中毒最为严重，其中毒过程不可逆，导致催化剂永久性中毒失活。目前广泛使用的表面处理剂、润滑剂、胶粘剂中都含有易挥发性的有机硅化合物(六甲基二硅氧烷HDMSO)，此有机硅化合物会与Pd催化剂发生反应生成钯络合物和致密的硅氧化物，导致敏感材料的活性位点减少，传感器永久性中毒。针对这一问题，研究者提出用表面催化层改性的方法来避免因催化剂失活而导致的传感器失效等问题。表面催化层改性指在涂覆敏感材料后的气敏元件表面上做一种抗毒催化层，以分解易中毒气体及干扰气体，从而防止SnO₂传感器中毒、或催化剂失活。ISC公司的美国专利US>

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种抗有机硅中毒的双涂层甲烷气体传感器及其制备方法。所制备的双涂层甲烷气体传感器能够实现对甲烷气体快速、准确的检测，并且能够有效地防止催化剂的有机硅中毒。基于此目的，本发明首先制备了一种Pd(OAc)₂负载的SnO₂纳米球气敏材料，此材料在对甲烷进行监测的过程中表现出较高的灵敏度及响应速度。同时，本发明还研制了一种抗有机硅中毒的表面催化材料，即Pt掺杂的Al₂O₃和SiO₂混合材料，此材料能有效地防止催化剂的有机硅中毒。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种抗有机硅中毒的双涂层甲烷气体传感器的制备方法，所述双涂层为醋酸钯Pd(OAc)₂负载的纳米SnO₂微球敏感材料层，以及敏感材料层表面的Pt掺杂的Al₂O₃和SiO₂混合抗毒催化层。具体包括以下步骤：

(1)制备Pd(OAc)₂负载的SnO₂纳米球

1.1)将每0.5～0.7g的乙二胺四乙酸(EDTA)溶于15～35ml的去离子水中，搅拌使其全部溶解；再向其中加入40～60ml质量百分比浓度为65％～68％的浓硝酸，搅拌使溶液均匀后加入4～6g的锡粒，于60～80℃的水浴温度下，磁力搅拌使其反应40～60分钟后取出，自然冷却至室温后将生成的沉淀用去离子水和乙醇多次离心洗涤，洗涤后得到的前驱体于80～120℃下干燥6～10小时，再在400～600℃下烧结1～3小时，得到SnO₂纳米球。所述的SnO₂纳米球的粒径为10～20nm。

1.2)将每5～20mg的Pd(OAc)₂溶于10ml去离子水和无水乙醇的混合溶液中，向其中加入1g的SnO₂纳米球，再用滴管加入3滴正硅酸四乙酯作为粘结剂，均匀搅拌2h后在氮气气氛下，于400～480℃热处理2h，得到Pd(OAc)₂负载的纳米SnO₂纳米球，该Pd(OAc)₂负载的纳米SnO₂纳米球为气敏材料。所述的混合溶液中去离子水和无水乙醇的体积比为1:1。其中，正硅酸四乙酯遇水后分解为硅酸溶胶和乙醇。

(2)制备抗毒催化材料

将每1g的Al₂O₃、5～15mg的金属Pt、10～100mg的SiO₂粉末混合均匀后，放置于球磨机中进行球磨，使物料分散均匀，得到Pt掺杂的Al₂O₃和SiO₂混合的抗毒催化材料。

(3)制备双涂层甲烷气体传感器

3.1)将步骤(1)制备得到的Pd(OAc)₂负载的SnO₂纳米球粉末与去离子水按质量比1～3:1混合后，研磨制成浆料，将浆料均匀涂覆在A1₂O₃陶瓷管上，自然晾干后放入马弗炉中，于400～490℃下热处理2～5h，待其自然冷却。

3.2)将步骤(2)得到的抗毒催化材料与去离子水、酒精按质量比2～4:1:1混合，经研磨制成浆料后均匀涂覆于由步骤1.1)制备的经热处理后的陶瓷管表面，待其自然晾干后，将一条阻值为25～35Ω的镍铬合金线圈穿过陶瓷管内部作为加热电阻，并按旁热式气敏元件制备工艺对其进行焊接；最后将焊接好的元件放置在检测仪器中，在5V的加热电压下进行老化以备测试，即得到抗有机硅中毒的双涂层甲烷气体传感器。

上述制备方法得到的双涂层甲烷气体传感器，包括Al₂O₃陶瓷管、镍铬合金加热线圈、环形金电极、Pt丝引线、敏感材料层、抗毒催化层。镍铬合金加热线圈位于Al₂O₃陶瓷管内部，Al₂O₃陶瓷管上设有一对平行、分立的环形金电极，每个环形金电极上连接的两条Pt丝引线，Al₂O₃陶瓷管表面涂覆0.1～0.3mm的敏感材料层、敏感材料层表面涂覆0.1～0.3mm的抗毒催化层。所述的Al₂O₃陶瓷管的长度为4～4.5mm，外径为1.2～1.5mm，内径为0.8～1mm；所述的敏感材料层材料为Pd(OAc)₂负载的SnO₂纳米球；所述的抗毒催化层材料为Pt掺杂的Al₂O₃和SiO₂混合材料。

本发明制备的一种抗有机硅中毒的双涂层甲烷气体传感器具有以下优点：

(1)本发明结合了溶胶凝胶法和化学沉淀法的优点，采用锡粒-硝酸氧化法制备SnO₂纳米球，所制备材料具有较小的粒径(10～20nm)、较大的比表面积(47.52m²·g^-1)，且颗粒分散性较好，有利于气体分子的扩散，具有较高的灵敏度及响应速度。

(2)本发明采用贵金属表面沉积掺杂的方法，制备了Pd(OAc)₂负载的SnO₂纳米球气敏材料。贵金属负载之后空气中的O₂分子会优先吸附在贵金属上并活化分解，增加了氧化物表面的吸附氧。另外，还原性气体也会优先吸附在贵金属上并活化，活化后的气体分子与吸附的氧离子发生反应，这在很大程度上提高了传感器的灵敏度及稳定性。

(3)为防止催化剂的有机硅中毒，本发明还采用表面催化层修饰的方法，在敏感材料表面涂覆了抗毒催化层，即Pt掺杂的Al₂O₃和SiO₂混合材料，这在甲烷气体传感器接触有机硅化合物时表现出良好的抗中毒性能。

(4)因抗毒层中掺杂有贵金属Pt，因贵金属所具有的催化作用，在表面涂覆抗毒催化层还能在一定程度上提高甲烷气体传感器的灵敏度以及稳定性。

(5)本发明所采用的材料制备工艺具有工艺简单、原料成本低、制备周期短等优点，可用于工业化、大批量生产。

附图说明

图1为SnO₂纳米颗粒的透射电镜(TEM)照片；

图2为抗有机硅中毒的双涂层甲烷气体传感器的结构示意图；

图3为本发明的对比例和实施例3中传感器对不同浓度的CH₄气体的气敏响应值；其中，气体传感器的灵敏度S定义为：S＝R_a/R_g，R_a和R_g分别为传感器在空气中和甲烷气体中时两个金电极之间的电阻值；

图4为本发明的实施例3中传感器的响应-恢复特性。

图中：1Al₂O₃陶瓷管；2镍铬合金加热线圈；3环形金电极；4Pt丝引线；5敏感材料层；6抗毒催化层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明。

双涂层甲烷气体传感器包括Al₂O₃陶瓷管1、镍铬合金加热线圈2、环形金电极3、Pt丝引线4、敏感材料层5、抗毒催化层6。镍铬合金加热线圈2位于Al₂O₃陶瓷管1内部，Al₂O₃陶瓷管1上设有一对平行、分立的环形金电极3，每个环形金电极3上连接的两条Pt丝引线4，Al₂O₃陶瓷管1表面涂覆0.1～0.3mm的敏感材料层5、敏感材料层5表面涂覆0.1～0.3mm的抗毒催化层6。所述的敏感材料层5材料为Pd(OAc)₂负载的SnO₂纳米球；所述的抗毒催化层6材料为Pt掺杂的Al₂O₃和SiO₂混合材料。制备方法如下：

对比例1

(1)将0.6g的EDTA溶于30ml的去离子水中，并向其中加入50ml浓硝酸，搅拌使溶液均匀后，向其中加入5g锡粒，于70℃的水浴温度下，磁力搅拌使其反应50分钟后取出，经过滤、洗涤、干燥后，于500℃下烧结2小时，得到SnO₂纳米球。

(2)称取10mg的Pd(OAc)₂并溶于10ml去离子水和无水乙醇的混合溶液中(去离子水和无水乙醇的体积比为1:1)，向其中加入1gSnO₂后，再用滴管加入3滴正硅酸四乙酯作为粘结剂，均匀搅拌2h后在氮气气氛下，于460℃热处理2h得到Pd(OAc)₂负载的SnO₂纳米球气敏材料。

(3)将Pd(OAc)₂负载的SnO₂纳米球粉末与去离子水按质量比2:1混合，研磨制成浆料后均匀涂覆在A1₂O₃陶瓷管上，自然晾干后放入马弗炉中，于490℃热处理3h，待其自然冷却后，按旁热式气敏元件制备工艺制作甲烷气体传感器。

实施例1双涂层甲烷气体传感器制备

向1gAl₂O₃中掺杂10mg的金属Pt，混合后于球磨机中进行球磨使物料分散均匀，得到Pt掺杂的Al₂O₃抗毒催化材料；将抗毒催化材料与去离子水、酒精按质量比3:1:1混合，经研磨制成浆料后均匀涂覆在对比例1所制备的经热处理后的陶瓷管表面，待其自然晾干后，按旁热式气敏元件制备工艺制作甲烷气体传感器。

实施例2双涂层甲烷气体传感器制备

向1gAl₂O₃中掺杂10mg的金属Pt以及20mg的SiO₂，混合后于球磨机中进行球磨使物料分散均匀，得到Pt掺杂的Al₂O₃抗毒催化材料；将抗毒催化材料与去离子水、酒精按质量比3:1:1混合，经研磨制成浆料后均匀涂覆在对比例1所制备的经热处理后的陶瓷管表面，待其自然晾干后，按旁热式气敏元件制备工艺制作甲烷气体传感器。

实施例3双涂层甲烷气体传感器制备

向1gAl₂O₃中掺杂10mg的金属Pt以及50mg的SiO₂，混合后于球磨机中进行球磨使物料分散均匀，得到Pt掺杂的Al₂O₃抗毒催化材料；将抗毒催化材料与去离子水、酒精按质量比3:1:1混合，经研磨制成浆料后均匀涂覆在对比例1所制备的经热处理后的陶瓷管表面，待其自然晾干后，按旁热式气敏元件制备工艺制作甲烷气体传感器。

如图1所示，SnO₂纳米颗粒的粒径在10～20nm左右。如图3所示，经20ppm的六甲基二硅氧烷(HDMSO)中毒后，对比例中传感器对甲烷气体的灵敏度明显降低，传感器严重中毒；但涂覆有抗毒催化层的实施例3中传感器经同一浓度的六甲基二硅氧烷中毒后，传感器对甲烷气体的灵敏度略有降低，说明其抗有机硅中毒性能良好。如图4所示，实施例3中传感器的响应及恢复时间较短，说明其响应-恢复特性良好。

实施例4双涂层甲烷气体传感器制备

向1gAl₂O₃中掺杂5mg的金属Pt以及50mg的SiO₂，混合后于球磨机中进行球磨使物料分散均匀，得到Pt掺杂的Al₂O₃抗毒催化材料；将抗毒催化材料与去离子水、酒精按质量比4:1:1混合，经研磨制成浆料后均匀涂覆在对比例1所制备的经热处理后的陶瓷管表面，待其自然晾干后，按旁热式气敏元件制备工艺制作甲烷气体传感器。

实施例5双涂层甲烷气体传感器制备

向1gAl₂O₃中掺杂15mg的金属Pt以及50mg的SiO₂，混合后于球磨机中进行球磨使物料分散均匀，得到Pt掺杂的Al₂O₃抗毒催化材料；将抗毒催化材料与去离子水、酒精按质量比3:1:1混合，经研磨制成浆料后均匀涂覆在对比例1所制备的经热处理后的陶瓷管表面，待其自然晾干后，按旁热式气敏元件制备工艺制作甲烷气体传感器。

实施例6双涂层甲烷气体传感器制备

(1)将0.6g的EDTA溶于30ml的去离子水中，并向其中加入50ml浓硝酸，搅拌使溶液均匀后，向其中加入5g锡粒，于70℃的水浴温度下，磁力搅拌使其反应50分钟后取出，经过滤、洗涤、干燥后，于400℃下烧结2小时，得到SnO₂纳米球。称取10mg的Pd(OAc)₂并溶于10ml去离子水和无水乙醇的混合溶液中(去离子水和无水乙醇的体积比为1:1)，向其中加入1gSnO₂后，再用滴管加入3滴正硅酸四乙酯作为粘结剂，均匀搅拌2h后在氮气气氛下，于460℃热处理2h得到Pd(OAc)₂负载的SnO₂纳米球气敏材料。将Pd(OAc)₂负载的SnO₂纳米球粉末与去离子水按质量比2:1混合，研磨制成浆料后均匀涂覆在A1₂O₃陶瓷管上，自然晾干后放入马弗炉中，于490℃热处理3h。

(2)向1gAl₂O₃中掺杂10mg的金属Pt以及50mg的SiO₂，混合后于球磨机中进行球磨使物料分散均匀，得到Pt掺杂的Al₂O₃抗毒催化材料；将抗毒催化材料与去离子水、酒精按质量比3:1:1混合，经研磨制成浆料后均匀涂覆在以上步骤(1)所制备的陶瓷管表面，待其自然晾干后，按旁热式气敏元件制备工艺制作甲烷气体传感器。

实施例7双涂层甲烷气体传感器制备

(1)将0.6g的EDTA溶于30ml的去离子水中，并向其中加入50ml浓硝酸，搅拌使溶液均匀后，向其中加入5g锡粒，于70℃的水浴温度下，磁力搅拌使其反应50分钟后取出，经过滤、洗涤、干燥后，于600℃下烧结2小时，得到SnO₂纳米球。称取10mg的Pd(OAc)₂并溶于10ml去离子水和无水乙醇的混合溶液中(去离子水和无水乙醇的体积比为1:1)，向其中加入1gSnO₂后，再用滴管加入3滴正硅酸四乙酯作为粘结剂，均匀搅拌2h后在氮气气氛下，于460℃热处理2h得到Pd(OAc)₂负载的SnO₂纳米球气敏材料。将Pd(OAc)₂负载的SnO₂纳米球粉末与去离子水按质量比2:1混合，研磨制成浆料后均匀涂覆在A1₂O₃陶瓷管上，自然晾干后放入马弗炉中，于490℃热处理3h。

(2)向1gAl₂O₃中掺杂10mg的金属Pt以及50mg的SiO₂，混合后于球磨机中进行球磨使物料分散均匀，得到Pt掺杂的Al₂O₃抗毒催化材料；将抗毒催化材料与去离子水、酒精按质量比3:1:1混合，经研磨制成浆料后均匀涂覆在以上步骤(1)所制备的陶瓷管表面，待其自然晾干后，按旁热式气敏元件制备工艺制作甲烷气体传感器。

实施例8双涂层甲烷气体传感器制备

(1)将0.6g的EDTA溶于30ml的去离子水中，并向其中加入50ml浓硝酸，搅拌使溶液均匀后，向其中加入5g锡粒，于70℃的水浴温度下，磁力搅拌使其反应50分钟后取出，经过滤、洗涤、干燥后，于500℃下烧结1小时，得到SnO₂纳米球。称取10mg的Pd(OAc)₂并溶于10ml去离子水和无水乙醇的混合溶液中(去离子水和无水乙醇的体积比为1:1)，向其中加入1gSnO₂后，再用滴管加入3滴正硅酸四乙酯作为粘结剂，均匀搅拌2h后在氮气气氛下，于460℃热处理2h得到Pd(OAc)₂负载的SnO₂纳米球气敏材料。将Pd(OAc)₂负载的SnO₂纳米球粉末与去离子水按质量比2:1混合，研磨制成浆料后均匀涂覆在A1₂O₃陶瓷管上，自然晾干后放入马弗炉中，于490℃热处理3h。

(2)向1gAl₂O₃中掺杂10mg的金属Pt以及50mg的SiO₂，混合后于球磨机中进行球磨使物料分散均匀，得到Pt掺杂的Al₂O₃抗毒催化材料；将抗毒催化材料与去离子水、酒精按质量比3:1:1混合，经研磨制成浆料后均匀涂覆在以上步骤(1)所制备的陶瓷管表面，待其自然晾干后，按旁热式气敏元件制备工艺制作甲烷气体传感器。

实施例9双涂层甲烷气体传感器制备

(1)将0.6g的EDTA溶于30ml的去离子水中，并向其中加入50ml浓硝酸，搅拌使溶液均匀后，向其中加入5g锡粒，于70℃的水浴温度下，磁力搅拌使其反应50分钟后取出，经过滤、洗涤、干燥后，于500℃下烧结3小时，得到SnO₂纳米球。称取10mg的Pd(OAc)₂并溶于10ml去离子水和无水乙醇的混合溶液中(去离子水和无水乙醇的体积比为1:1)，向其中加入1gSnO₂后，再用滴管加入3滴正硅酸四乙酯作为粘结剂，均匀搅拌2h后在氮气气氛下，于460℃热处理2h得到Pd(OAc)₂负载的SnO₂纳米球气敏材料。将Pd(OAc)₂负载的SnO₂纳米球粉末与去离子水按质量比2:1混合，研磨制成浆料后均匀涂覆在A1₂O₃陶瓷管上，自然晾干后放入马弗炉中，于490℃热处理3h。

(2)向1gAl₂O₃中掺杂10mg的金属Pt以及50mg的SiO₂，混合后于球磨机中进行球磨使物料分散均匀，得到Pt掺杂的Al₂O₃抗毒催化材料；将抗毒催化材料与去离子水、酒精按质量比3:1:1混合，经研磨制成浆料后均匀涂覆在以上步骤(1)所制备的陶瓷管表面，待其自然晾干后，按旁热式气敏元件制备工艺制作甲烷气体传感器。