用于室温下的氨气传感器及其制备方法

摘要

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种用于室温下的氨气传感器及其制备方法，该氨气传感器包括气敏材料和基底，所述气敏材料为一维SrGe4O9纳米管。所气敏材料为一维SrGe4O9纳米管和贵金属，贵金属的负载量为0.01‑2%wt。本发明有益效果是：由于采用上述技术方案，本发明在常温气敏方面的性能进行了挖掘。利用了静电纺丝技术制备了SrGe4O9纳米管；利用了纳米管这一优势结构，有效得提高其性能，在SrGe4O9纳米管的基础上沉积贵金属Pt，提高其气敏性能。由于Pt‑SrGe4O9的常温气敏性能，为其在柔性电子器件上的应用提供了便利，在基底上制成了常温的气敏传感器。

权利要求

1.一种用于室温下的氨气传感器，该氨气传感器包括气敏材料和基底，其特征在于，所述气敏材料为一维SrGe4O9纳米管。

2.根据权利1所述的氨气传感器，其特征在于，所述气敏材料还包括贵金属，所述贵金属的负载量为一维SrGe4O9纳米管质量的0.01-2%wt。

3.根据权利2所述的氨气传感器，其特征在于，所述贵金属为Pt或Pd。

4.根据权利1所述的氨气传感器，其特征在于，所述基底为柔性材料或刚性材料。

5.根据权利4所述的氨气传感器，其特征在于，所述柔性材料包括PET，PI或PC。

6.根据权利4所述的氨气传感器，其特征在于，所述刚性材料包括陶瓷、玻璃或二氧化硅片。

7.一种制备如权利要求1-6任意一项所述的氨气传感器的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1.前驱体溶液的配置：在室温下，按照摩尔比1:4将锶盐粉末和乙氧基锗混合得，加入2g-4g无水乙醇、16g-18g N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和0.5g-1g去离子水混合溶液中溶解，再加入2.5g-3g聚乙烯吡咯烷酮粉末，最后，将混合后的溶液磁力搅拌4-7小时，直到混合溶液澄清透明均一,然后，用滴管吸取约溶液滴入一次性注射器，准备开始电纺；

步骤2.纳米管的制备：将一次性注射器的针头接高压直流电源的正极，并固定在离收集板的高度15-20cm处,纺丝电压设置为15-20KV,将干净的铝箔固定桌面接于高压电源的负极；

打开高压电源，一次性针管的针头出现泰勒锥并开始纺丝，在接收器铝箔上沉积一沉纳米纤维，纺丝结束后，将其放入马弗炉中退火处理，升温速率为4-6℃/min,升温至680-

720℃，保温时间为3.5-5小时，然后自由冷却至室温，最后得到一维SrGe4O9纳米管；

步骤3.传感器的制作：

3.1：采用丙酮、乙醇和蒸馏水依次对基底进行清洗，备用；

步骤3.2：称取适量的一维SrGe4O9纳米管放入研钵中，加入适量的去离子水，进行研磨，用细毛笔蘸取涂覆在刚性电极上，即得到氨气传感器；或光刻胶旋涂在PET在5000转30s，在柔性基板上100℃加热3 min，随后用紫外光刻机光刻，并用显影液进行显影，获得与掩膜版对应的叉指电极，再在表面镀上50nm的金，用丙酮洗去多余的金，步骤2制备得到一维SrGe4O9纳米管的和聚偏氟乙烯(PVDF)以质量比9：1的比例混合，均匀得涂在叉指电极上；得到氨气传感器。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤2还包括以下步骤：然后配制氯铂酸溶液，取适量所煅烧的样品置于研钵，取少量氯铂酸溶液，按照负载0.01-2%wt的贵金属的比例滴加入研钵和SrGe4O9纳米管充分混合。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤2中退火处理的工艺为：升温速率为4-6℃/min,升温至680-720℃，保温时间为3.5-5小时。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述锶盐包括硝酸锶或乙酸锶。

说明书

用于室温下的氨气传感器及其制备方法

[0001] 技术领域：

[0002] 本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种用于室温下的氨气传感器及其制备方法。

[0003] 背景技术：

[0004] 随着现代工业技术飞速发展，自然环境不可避免地承受着严重的负担，其中大气污染就是一项严峻的考验。生产中的工业废气和生活中有毒、有害气体的泄漏污染环境破坏生态，不仅造成巨大的财产损失，还会危及身体健康和生命安全。对有害有毒气体的检测、监控、报警的研究越来越引起人们的高度重视。气敏传感器的出现为解决检测有毒有害气体提供了便利，高性能气敏传感器近年来成为国内外研究的重点和热点。气敏传感器是一种能将气体成分及浓度变化转化为电信号用于检测的电子器件，具有广泛的应用范围和广阔的发展前景。目前国内外对于各种气体的检测主要还是针对有害的气体，比如氨气、乙醇、氢气、硫化氢、甲苯、管道煤气等还可燃性气体和有毒气体为主，应用较为广泛的气敏材料主要是SnO2、ZnO、In3O4、Fe2O3、WO3等金属氧化物材料。但这些材料在应用到气体传感器时都需要在一定温度的条件下，因此对室温下的气敏传感器的研究具有重要意义。

[0005] 随着纳米科技在全球的持续快速发展，纳米材料由于其缩小的尺寸、较高的精度而得到广大科研工作者的关注，纳米材料具有较大的比表面积、高的表面活性，与常规材料相比有独特的优势。而纳米技术在气敏材料上的应用，能在很大程度上解决传统气敏材料存在的选择性差、灵敏度低、稳定性差等问题。

[0006] 发明内容：

[0007] 为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种方法简单，且提高了气体吸附作用及相应的反应速度的用于室温下的氨气传感器及其制备方法。

[0008] 本发明的技术方案是：一种用于室温下的氨气传感器，该氨气传感器包括气敏材料和基底，所述气敏材料为一维SrGe4O9纳米管。

[0009] 进一步，所述气敏材料为S一维SrGe4O9纳米管和贵金属，所述贵金属的负载量为0.01-2%wt。

[0010] 进一步，所述贵金属为Pt或Pd。

[0011] 进一步，所述基底为柔性材料或刚性材料。

[0012] 进一步，所述柔性材料包括PET，PI或PC。

[0013] 进一步，所述刚性材料包括陶瓷、玻璃或二氧化硅片。

[0014] 本发明的另一目的是提供上述氨气传感器的方法，具体包括以下步骤：

[0015] 步骤1.前驱体溶液的配置：在室温下，按照摩尔比1:4将锶盐粉末和乙氧基锗混合得，加入2g-4g无水乙醇、16g-18g N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和0.5g-1g去离子水混合溶液中溶解，再加入2.5g-3g聚乙烯吡咯烷酮粉末，最后，将混合后的溶液磁力搅拌4-7小时，直到混合溶液澄清透明均一,然后，用滴管吸取约溶液滴入一次性注射器，准备开始电纺；

[0016] 步骤2.纳米管的制备：将一次性注射器的针头接高压直流电源的正极，并固定在离收集板的高度15-20cm处,纺丝电压设置为15-20KV,将干净的铝箔固定桌面接于高压电源的负极。打开高压电源，一次性针管的针头出现泰勒锥并开始纺丝，在接收器铝箔上沉积一沉纳米纤维，纺丝结束后，将其放入马弗炉中退火处理，升温速率为4-6℃/min,升温至680-720℃，保温时间为3.5-5小时，然后自由冷却至室温，最后得到一维SrGe4O9纳米管；

[0017] 步骤3.传感器的制作：

[0018] 步骤3.1：采用丙酮、乙醇和蒸馏水依次对基底进行清洗，备用；

[0019] 步骤3.2：称取适量的一维SrGe4O9纳米管放入研钵中，加入适量的去离子水，进行研磨，用细毛笔蘸取涂覆在刚性电极上，即得到氨气传感器；或光刻胶旋涂在PET在5000转30s，在柔性基板上100℃加热3 min，随后用紫外光刻机光刻，并用显影液进行显影，获得与掩膜版对应的叉指电极，再在表面镀上50nm的金，用丙酮洗去多余的金，步骤2制备得到一维SrGe4O9纳米管的和聚偏氟乙烯(PVDF)以质量比9：1的比例混合，均匀得涂在叉指电极上；
得到氨气传感器。

[0020] 进一步，所述步骤2还包括以下步骤：然后配制氯铂酸溶液，取适量所煅烧的样品置于研钵，取少量氯铂酸溶液，按照负载0.01-2%wt的贵金属的比例滴加入研钵和SrGe4O9纳米管充分混合。

[0021] 进一步，所述步骤2中退火处理的工艺为：升温速率为4-6℃/min,升温至680-720℃，保温时间为3.5-5小时。

[0022] 进一步，所述锶盐包括硝酸锶或乙酸锶。

[0023] 本发明与现有技术相比具有以下特点和优势：

[0024] （1）SrGe4O9这种大多都是用在锂电等其他方面。对其在常温气敏方面的性能进行了挖掘。

[0025] （2）SrGe4O9这种材料现有的形貌主要是纳米线，利用了静电纺丝技术制备了SrGe4O9纳米管；利用了纳米管这一优势结构，有效得提高其性能。

[0026] （3）在SrGe4O9纳米管的基础上沉积贵金属Pt，提高其气敏性能。

[0027] （4）由于Pt-SrGe4O9的常温气敏性能，为其在柔性电子器件上的应用提供了便利，在柔性衬底上制成了常温的气敏传感器。（请补充实验数据）实验数据要补充到有益效果中。

[0028] 附图说明：

[0029] 图1为本发明一种用于室温下的氨气传感器的结构示意图。

[0030] 图2为本发明SrGe4O9纳米管的SEM图。

[0031] 图3为本发明Pt-SrGe4O9纳米管的SEM图。

[0032] 图4 为本发明SrGe4O9纳米管的陶瓷基气体传感器的测试图。

[0033] 图5 为Pt-SrGe4O9纳米管的陶瓷基气体传感器的测试图。

[0034] 图6 为Pt-SrGe4O9纳米管的柔性气体传感器不同弯曲角度测试图。

[0035] 图中：

[0036] 1.基底、2.气敏材料、3.电极。

[0037] 具体实施方式：

[0038] 下面通过实施例并结合附图做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

[0039] 本发明一种用于室温下的氨气传感器，该氨气传感器包括气敏材料和基底，所述气敏材料为一维SrGe4O9纳米管。

[0040] 所述气敏材料为S一维SrGe4O9纳米管和贵金属，所述贵金属的负载量为0.01-2%wt。

[0041] 所述贵金属为Pt或Pd。

[0042] 所述基底为柔性材料或刚性材料。

[0043] 所述柔性材料包括PET，PI或PC。

[0044] 所述刚性材料包括陶瓷、玻璃或二氧化硅片。

[0045] 一种氨气传感器的方法，具体包括以下步骤：

[0046] 步骤1.前驱体溶液的配置：在室温下，按照摩尔比1:4将硝酸锶Sr(NO3)2粉末和乙氧基锗混合得，加入2g-4g无水乙醇、16g-18g N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和0.5g-1g去离子水混合溶液中溶解，再加入2.5g-3g聚乙烯吡咯烷酮粉末，最后，将混合后的溶液磁力搅拌4-7小时，直到混合溶液澄清透明均一,然后，用滴管吸取约溶液滴入一次性注射器，准备开始电纺；

[0047] 步骤2.纳米管的制备：将一次性注射器的针头接高压直流电源的正极，并固定在离收集板的高度15-20cm处,纺丝电压设置为15-20KV,将干净的铝箔固定桌面接于高压电源的负极。打开高压电源，一次性针管的针头出现泰勒锥并开始纺丝，在接收器铝箔上沉积一沉纳米纤维，纺丝结束后，将其放入马弗炉中退火处理，升温速率为4-6℃/min,升温至680-720℃，保温时间为3.5-5小时，然后自由冷却至室温，最后得到一维SrGe4O9纳米管；

[0048] 步骤3.传感器的制作：

[0049] 步骤3.1：采用丙酮、乙醇和蒸馏水依次对基底进行清洗，备用；

[0050] 步骤3.2：称取适量的一维SrGe4O9纳米管放入研钵中，加入适量的去离子水，进行研磨，用细毛笔蘸取涂覆在刚性电极上，即得到氨气传感器；或光刻胶旋涂在PET在5000转30s，在柔性基板上100℃加热3 min，随后用紫外光刻机光刻，并用显影液进行显影，获得与掩膜版对应的叉指电极，再在表面镀上50nm的金，用丙酮洗去多余的金，步骤2制备得到一维SrGe4O9纳米管的和聚偏氟乙烯(PVDF)以质量比9：1的比例混合，均匀得涂在叉指电极上；
得到氨气传感器。

[0051] 所述步骤2还包括以下步骤：然后配制氯铂酸溶液，取适量所煅烧的样品置于研钵，取少量氯铂酸溶液，按照负载0.01-2%wt的贵金属的比例滴加入研钵和SrGe4O9纳米管充分混合。

[0052] 所述步骤2中退火处理的工艺为：升温速率为4-6℃/min,升温至680-720℃，保温时间为3.5-5小时。

[0053] 实施例1：

[0054] 以一维SrGe4O9纳米管为例详细介绍制备过程：

[0055] （1）前驱体溶液的配置：在室温下，按照摩尔比1:4将0.1046g硝酸锶Sr(NO3)2粉末和0.5g乙氧基锗（[Ge(OEt)4]）混合得，放入3.5g无水乙醇、17.5g N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和0.5g去离子水混合溶液中溶解，再加入2.99g的聚乙烯吡咯烷酮（PVP，130万分子量）粉末。最后，将混合后的溶液磁力搅拌4小时，直到混合溶液澄清透明均一。然后，用滴管吸取约1ml溶液滴入一次性注射器，准备开始电纺。

[0056] （2）纳米管的制备：将一次性注射器的针头接高压直流电源的正极，并固定在离收集板的高度15cm处。纺丝电压设置为15KV左右。将干净的铝箔固定桌面接于高压电源的负极。打开高压电源，一次性针管的针头出现泰勒锥并开始纺丝。在接收器铝箔上沉积一沉纳米纤维。纺丝结束后，将其放入马弗炉中退火，退火处理的工艺为：升温速率为5℃/min,升温至700℃，保温时间为4小时，然后自由冷却至室温，最后得到纯净的金属氧化物纳米管，如附图2所示。然后配制氯铂酸溶液，取适量所煅烧的样品置于研钵，取少量氯铂酸溶液，按照负载0.5wt%的Pt的比例滴加入研钵和SrGe4O9纳米管充分混合，干燥后进行500℃煅烧，保温1个小时，得到沉积了Pt的一维SrGe4O9纳米管，如附图3。

[0057] （3）柔性气体传感器制作：

[0058] 为了组装柔性气体传感器，采用丙酮、乙醇和蒸馏水依次对PET基质进行清洗。光刻胶旋涂在PET在5000转30s，在基板上100℃加热3 min，随后用紫外光刻机光刻，并用显影液进行显影。获得与掩膜版对应的叉指电极，再在表面镀上50nm的金，用丙酮洗去多余的金。所制的Pt- SrGe4O9和聚偏氟乙烯(PVDF)以质量比9：1的比例混合，均匀得涂在叉指电极上；得到柔性气敏传感器，如附图4。

[0059] 实施例2：

[0060] 以一维SrGe4O9纳米管为例详细介绍制备过程：

[0061] （1）前驱体溶液的配置：在室温下，按照摩尔比1:4将0.1046g乙酸锶Sr(NO3)2粉末和0.5g乙氧基锗（[Ge(OEt)4]）混合得，放入3.5g无水乙醇、17.5g N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和0.5g去离子水混合溶液中溶解，再加入2.99g的聚乙烯吡咯烷酮（PVP，130万分子量）粉末。最后，将混合后的溶液磁力搅拌4小时，直到混合溶液澄清透明均一。然后，用滴管吸取约1ml溶液滴入一次性注射器，准备开始电纺。

[0062] （2）纳米管的制备：将一次性注射器的针头接高压直流电源的正极，并固定在离收集板的高度20cm处。纺丝电压设置为15KV左右。将干净的铝箔固定桌面接于高压电源的负极。打开高压电源，一次性针管的针头出现泰勒锥并开始纺丝。在接收器铝箔上沉积一沉纳米纤维。纺丝结束后，将其放入马弗炉中退火，退火处理的工艺为：升温速率为6℃/min,升温至680℃，保温时间为5小时，然后自由冷却至室温，最后得到纯净的金属氧化物纳米管。

[0063] （4）陶瓷基气体传感器制作：

[0064] 称取适量的SrGe4O9纳米管放入研钵中，加入适量的去离子水，进行研磨，用细毛笔蘸取涂覆在陶瓷电极上，即得到陶瓷基气体传感器。

[0065] 实施例3：

[0066] 步骤1与实施例1和实施例2相同；

[0067] 步骤2：制备然后配制氯铂酸溶液，取适量所煅烧的样品置于研钵，取少量氯铂酸溶液，按照负载1.5wt%的Pt的比例滴加入研钵和SrGe4O9纳米管充分混合，干燥后进行500℃煅烧，保温1个小时，得到沉积了Pt的一维SrGe4O9纳米管，如附图3所示。

[0068] 步骤3：称取适量的沉积了Pt的一维SrGe4O9纳米管放入研钵中，加入适量的去离子水，研磨，用细毛笔蘸取涂覆在陶瓷电极上, 标为陶瓷2。

[0069] 器件的气敏性能测试：

[0070] 利用气敏测试仪器，把陶瓷1传感器放在测试平台上，扎上探针，按照1ppm-500ppm的氨气浓度，依次往腔室内的加热槽内注入一定的氨水，使其蒸发成为氨气充满整个腔室，通过分析测试系统测试和收集实验数据，陶瓷1气敏传感器的数据如附图5。然后把陶瓷2放在测试平台上，依上过程进行测试，陶瓷2气敏传感器的数据如附图6。最后测试柔性气敏传感器器件常温下的性能，在100ppm的氨气氛围下不同弯曲角度的响应曲线如附图6所示。