本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于sno2復(fù)合納米纖維的乙醇?xì)怏w傳感器。
背景技術(shù)：
近年來由于科技的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)化程度的不斷提高，在生產(chǎn)過程中使用的氣體以及在生產(chǎn)過程中生成的氣體的種類、數(shù)量也在增多，其中，很多氣體是易燃易爆的，或者很多氣體是有毒氣體，為了安全起見，就必須對氣體在使用、運(yùn)輸、儲(chǔ)存等方面加強(qiáng)監(jiān)測，因此，傳感器中，氣體傳感器應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，應(yīng)用前景廣闊。
傳感器通常是由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測量電路組成。其中，敏感元件是能夠直接感受被測量并將其轉(zhuǎn)換為與被測量有確定關(guān)系的電量或易變成電量的物理量的元件。
其中，敏感元件/材料是傳感器制作的核心，同時(shí)也是傳感器研制、優(yōu)化和商業(yè)的基礎(chǔ)，敏感材料種類繁多，其中，半導(dǎo)體材料是目前應(yīng)用最廣泛的敏感材料，隨著納米科學(xué)技術(shù)的興起，納米材料在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用成為研究熱點(diǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明旨在提供一種基于sno2復(fù)合納米纖維的乙醇?xì)怏w傳感器，以解決上述提出問題。
本發(fā)明的實(shí)施例中提供了一種基于sno2復(fù)合納米纖維的乙醇?xì)怏w傳感器，該氣體傳感器為旁熱式結(jié)構(gòu)，包括：由外表面自帶有2個(gè)平行且分立的環(huán)形金電極的氧化鋁陶瓷管、涂覆在陶瓷管表面的敏感材料、穿過陶瓷管的鎳鉻合金加熱線圈組成，每個(gè)金電極上連接有兩根鉑絲引腳；該敏感材料為靜電紡絲法制備的sno2復(fù)合納米纖維，所述sno2復(fù)合納米纖維中包括sno2多孔空心球、zno納米線。
優(yōu)選地，所述敏感材料中包括的sno2多孔空心球摻雜有wo3，wo3與sno2質(zhì)量比為1:67。
本發(fā)明的實(shí)施例提供的技術(shù)方案可以包括以下有益效果：
本發(fā)明的傳感器為旁熱式結(jié)構(gòu)，其敏感材料為靜電紡絲法制備的sno2復(fù)合納米纖維，該sno2復(fù)合納米纖維中包括sno2多孔空心球、zno納米線；本發(fā)明技術(shù)方案中，將sno2多孔空心球、zno納米線混合制備成了sno2復(fù)合納米纖維，由此作為敏感材料的傳感器具有靈敏性高、響應(yīng)迅速的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。應(yīng)當(dāng)理解的是，以上的一般描述和后文的細(xì)節(jié)描述僅是示例性和解釋性的，并不能限制本發(fā)明。
附圖說明
利用附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但附圖中的實(shí)施例不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)以下附圖獲得其它的附圖。
圖1是本發(fā)明乙醇?xì)怏w傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，
其中，21-環(huán)形金電極，22-氧化鋁陶瓷管，23-敏感材料，24-鎳鉻合金加熱線圈，25-鉑絲。
具體實(shí)施方式
這里將詳細(xì)地對示例性實(shí)施例進(jìn)行說明，其示例表示在附圖中。下面的描述涉及附圖時(shí)，除非另有表示，不同附圖中的相同數(shù)字表示相同或相似的要素。以下示例性實(shí)施例中所描述的實(shí)施方式并不代表與本發(fā)明相一致的所有實(shí)施方式。相反，它們僅是與如所附權(quán)利要求書中所詳述的、本發(fā)明的一些方面相一致的裝置和方法的例子。
本發(fā)明的技術(shù)方案涉及一種基于sno2復(fù)合納米纖維的乙醇?xì)怏w傳感器，結(jié)合圖1，該氣體傳感器為旁熱式結(jié)構(gòu)，包括：由外表面自帶有2個(gè)平行且分立的環(huán)形金電極21的氧化鋁陶瓷管22、涂覆在陶瓷管22表面的敏感材料23、穿過陶瓷管22的鎳鉻合金加熱線圈24組成，每個(gè)金電極21上連接有兩根鉑絲25引腳。
上述的敏感材料23為靜電紡絲法制備的sno2復(fù)合納米纖維，其中包括sno2多孔空心球、zno納米線。
靜電紡絲是一種制備納米材料的簡便方法，由靜電紡絲制備的一維納米材料在納電子器件、催化劑、傳感器等領(lǐng)域具有實(shí)際應(yīng)用。特別是，在傳感器領(lǐng)域，電紡絲技術(shù)制備的敏感材料，具有大的比表面積而且纖維具備微孔結(jié)構(gòu)，這些特征都與利于其作為敏感材料對于氣體的響應(yīng)。
而具體到sno2基氣體傳感器，目前技術(shù)方案中，采用靜電紡絲法制備sno2復(fù)合納米纖維作為敏感材料的技術(shù)方案不多；本發(fā)明技術(shù)方案中，將sno2多孔空心球、zno納米線混合制備成了sno2復(fù)合納米纖維，由此作為敏感材料的傳感器具有靈敏性高、響應(yīng)迅速的優(yōu)點(diǎn)。
上述的敏感材料中包括sno2多孔空心球，該sno2多孔空心球是以碳膠球?yàn)槟０濉⑺疅岱ㄖ苽涞?，該sno2多孔空心球的粒徑為200nm，其是由大量納米顆粒構(gòu)成的多孔殼層結(jié)構(gòu)。
sno2是一種n型寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有獨(dú)特的光學(xué)、催化、電學(xué)性能，其在傳感器、太陽能電池、鋰電池、催化劑及透明導(dǎo)電電極等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用；其是一種最早被開發(fā)的金屬氧化物氣體敏感材料，sno2因具有成本低、穩(wěn)定性好、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)而受到關(guān)注，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，對各種納米結(jié)構(gòu)的sno2材料研究增多。本發(fā)明中，利用水熱法制備的碳膠球具有親水性，表面具有-oh和c-o功能團(tuán)，這些功能團(tuán)的存在使金屬離子很容易與碳膠球結(jié)合，形成金屬的氫氧化物并分布其表面，然后，經(jīng)過高溫煅燒，碳膠球中的碳原子被氧化以二氧化碳的形式釋放，從而形成金屬氧化物空心球，即sno2多孔空心球，其多孔殼層結(jié)構(gòu)有利于對氣體的吸附，增加了敏感材料的靈敏度。
上述的敏感材料中包括zno納米線，該zno納米線長度為500nm，直徑為20～50nm。
zno在光學(xué)、電學(xué)、催化等方面性能獨(dú)特，在傳感器、太陽能電池、鋰電池、催化等領(lǐng)域都有著實(shí)際應(yīng)用，本發(fā)明技術(shù)方案中，將上述的sno2多孔空心球和zno納米線結(jié)合，采用靜電紡絲法制備復(fù)合納米纖維，在該纖維中，該zno納米線對分立的sno2多孔空心球起到連接作用，能夠形成載流子的導(dǎo)電通路，同時(shí)由于zno同樣是n型寬禁帶半導(dǎo)體材料，兩者禁帶寬度相近，大大提高了復(fù)合納米纖維的電導(dǎo)率，使得傳感器的響應(yīng)時(shí)間減小。
然后將上述的sno2多孔空心球、zno納米線按比例混合后，加入到聚乙烯醇溶液中，得到紡絲溶液，進(jìn)行靜電紡絲，得到復(fù)合纖維膜，將其煅燒去除聚乙烯醇后，得到復(fù)合納米纖維。
優(yōu)選地，上述紡絲溶液中，聚乙烯醇質(zhì)量百分比為9wt.％。
優(yōu)選地，上述復(fù)合納米纖維中，sno2多孔空心球、zno納米線的質(zhì)量比為4:1。
在另一種優(yōu)選實(shí)施方式中，上述敏感材料中包括的sno2多孔空心球摻雜有wo3，其中，wo3與sno2質(zhì)量比為1:67。
如上所述，目前對各種納米結(jié)構(gòu)的sno2材料研究增多，對該材料的研究主要是通過各種手段提高傳感器性能方面，摻雜的金屬或金屬氧化物主要有zn、pt、cuo、zno等，而摻雜wo3的技術(shù)方案不多；本發(fā)明中，通過摻雜，制備了wo3摻雜的sno2多孔空心球，該摻雜的wo3與zno納米線協(xié)同作用，對傳感器的靈敏度和響應(yīng)時(shí)間起到積極作用。
為了得到上述敏感材料，本發(fā)明還涉及該sno2復(fù)合納米纖維的制備步驟：
步驟1、水熱法制備碳膠球
將9g葡萄糖加入到50ml去離子水中攪拌均勻，然后將溶液移入水熱釜中，在干燥箱180℃恒溫下加熱8h，反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻至室溫，依次用酒精和去離子水離心分離、洗滌，重復(fù)洗滌三遍后，得到黑褐色產(chǎn)物碳膠球，將其在60℃干燥12h備用；
步驟2、制備wo3摻雜sno2多孔空心球
將3.82mmol的鎢酸和氯化錫加入到60ml乙醇與8ml水的混合液中攪拌均勻，形成溶液a，然后向溶液a中加入35mmol尿素，攪拌均勻形成溶液b，將上述制備的32mmol碳膠球加入溶液b，超聲分散2h，將所得溶液靜置30h，離心分離，洗滌，在80℃干燥12h，最后將干燥后的產(chǎn)物在580℃下干燥2h，得到wo3摻雜sno2多孔空心球；
步驟3、制備紡絲溶液
取0.8g聚乙烯醇放入裝有10g蒸餾水的錐形瓶中，在保溫90℃下不斷攪拌，使之完全溶解，自然冷卻至室溫；然后加入zno納米線和上述得到的wo3摻雜sno2多孔空心球，繼續(xù)攪拌6h，得到紡絲溶液；
步驟4、靜電紡絲
將上述紡絲溶液裝入噴絲管中，插入一根10cm的銅絲作為正極，鋁箔作為接收板，為負(fù)極，靜電紡絲時(shí)所加電壓為17kv，噴絲頭與接收板之間距離為18cm，進(jìn)行靜電紡絲，得到wo3摻雜sno2多孔空心球/zno納米線/聚乙烯醇復(fù)合纖維膜；
步驟5、煅燒
將上述復(fù)合纖維膜在700℃下退火處理5h，以去除高分子聚乙烯醇，得到sno2復(fù)合納米纖維。
然后，將上述sno2復(fù)合納米纖維配置成漿料后，涂覆在陶瓷管表面，制備電極后，即得本發(fā)明所述一種基于sno2復(fù)合納米纖維的乙醇?xì)怏w傳感器。
實(shí)施例1
本實(shí)施例中，該敏感材料為靜電紡絲法制備的sno2復(fù)合納米纖維，其中包括sno2多孔空心球、zno納米線。
該sno2復(fù)合納米纖維的制備步驟：
步驟1、水熱法制備碳膠球
將9g葡萄糖加入到50ml去離子水中攪拌均勻，然后將溶液移入水熱釜中，在干燥箱180℃恒溫下加熱8h，反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻至室溫，依次用酒精和去離子水離心分離、洗滌，重復(fù)洗滌三遍后，得到黑褐色產(chǎn)物碳膠球，將其在60℃干燥12h備用；
步驟2、制備sno2多孔空心球
將3.82mmol氯化錫加入到60ml乙醇與8ml水的混合液中攪拌均勻，形成溶液a，然后向溶液a中加入35mmol尿素，攪拌均勻形成溶液b，將上述制備的32mmol碳膠球加入溶液b，超聲分散2h，將所得溶液靜置30h，離心分離，洗滌，在80℃干燥12h，最后將干燥后的產(chǎn)物在580℃下干燥2h，得到sno2多孔空心球；
步驟3、制備紡絲溶液
取0.8g聚乙烯醇放入裝有10g蒸餾水的錐形瓶中，在保溫90℃下不斷攪拌，使之完全溶解，自然冷卻至室溫；然后加入zno納米線和上述得到的sno2多孔空心球，繼續(xù)攪拌6h，得到紡絲溶液；
步驟4、靜電紡絲
將上述紡絲溶液裝入噴絲管中，插入一根10cm的銅絲作為正極，鋁箔作為接收板，為負(fù)極，靜電紡絲時(shí)所加電壓為17kv，噴絲頭與接收板之間距離為18cm，進(jìn)行靜電紡絲，得到sno2多孔空心球/zno納米線/聚乙烯醇復(fù)合纖維膜；
步驟5、煅燒
將上述復(fù)合纖維膜在700℃下退火處理5h，以去除高分子聚乙烯醇，得到sno2復(fù)合納米纖維。
通過改變流過加熱線圈的電流來調(diào)控傳感器的工作溫度，通過測量傳感器處于不同氣體中時(shí)兩個(gè)金電極之間的電阻值可以獲得傳感器的靈敏度。傳感器對于乙醇?xì)怏w的靈敏度s定義為：s＝rg/ra，其中rg和ra分別為傳感器在乙醇?xì)怏w和空氣中時(shí)兩金電極間的電阻值，發(fā)現(xiàn)，本實(shí)施例中該傳感器的靈敏度為6.3。
實(shí)施例2
本實(shí)施例中，該敏感材料為靜電紡絲法制備的sno2復(fù)合納米纖維，其中包括wo3摻雜sno2多孔空心球、zno納米線。
該sno2復(fù)合納米纖維的制備步驟：
步驟1、水熱法制備碳膠球
將9g葡萄糖加入到50ml去離子水中攪拌均勻，然后將溶液移入水熱釜中，在干燥箱180℃恒溫下加熱8h，反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻至室溫，依次用酒精和去離子水離心分離、洗滌，重復(fù)洗滌三遍后，得到黑褐色產(chǎn)物碳膠球，將其在60℃干燥12h備用；
步驟2、制備wo3摻雜sno2多孔空心球
將3.82mmol的鎢酸和氯化錫加入到60ml乙醇與8ml水的混合液中攪拌均勻，形成溶液a，然后向溶液a中加入35mmol尿素，攪拌均勻形成溶液b，將上述制備的32mmol碳膠球加入溶液b，超聲分散2h，將所得溶液靜置30h，離心分離，洗滌，在80℃干燥12h，最后將干燥后的產(chǎn)物在580℃下干燥2h，得到wo3摻雜sno2多孔空心球；
步驟3、制備紡絲溶液
取0.8g聚乙烯醇放入裝有10g蒸餾水的錐形瓶中，在保溫90℃下不斷攪拌，使之完全溶解，自然冷卻至室溫；然后加入zno納米線和上述得到的wo3摻雜sno2多孔空心球，繼續(xù)攪拌6h，得到紡絲溶液；
步驟4、靜電紡絲
將上述紡絲溶液裝入噴絲管中，插入一根10cm的銅絲作為正極，鋁箔作為接收板，為負(fù)極，靜電紡絲時(shí)所加電壓為17kv，噴絲頭與接收板之間距離為18cm，進(jìn)行靜電紡絲，得到wo3摻雜sno2多孔空心球/zno納米線/聚乙烯醇復(fù)合纖維膜；
步驟5、煅燒
將上述復(fù)合纖維膜在700℃下退火處理5h，以去除高分子聚乙烯醇，得到sno2復(fù)合納米纖維。
通過改變流過加熱線圈的電流來調(diào)控傳感器的工作溫度，通過測量傳感器處于不同氣體中時(shí)兩個(gè)金電極之間的電阻值可以獲得傳感器的靈敏度。傳感器對于乙醇?xì)怏w的靈敏度s定義為：s＝rg/ra，其中rg和ra分別為傳感器在乙醇?xì)怏w和空氣中時(shí)兩金電極間的電阻值，發(fā)現(xiàn)，本實(shí)施例中該傳感器的靈敏度為9.7。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳方式，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。