一种纳米硫化锡基气体传感器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及传感器领域，具体地，涉及一种纳米硫化锡基氨气传感器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]气敏传感器中使用的气敏材料可以分为四类:第一类是金属氧化物和复合氧化物半导体，常用的氧化物有Sn02、Zn0、Ti02、a -Fe2O3、WO3、CuO-ZnO异质结等；复合氧化物有类钙钛矿结构的物质，如SrT13，尖晶石型铁氧体，如NiFe2O4 ;第二类是由导体和半导体组合而成的，如金属和半导体接触构成的肖特基二极管、MOS场效应晶体管、MIS效应晶体管；第三类是具有离子导电性的固体电解质，如有二价镁离子和氧离子构成的固体电解质、银离子玻璃；第四类是有机高分子，如聚吡咯、聚酰亚胺、金属酞菁配合物。目前应用最为广泛，研究最为透彻的是SnO2，金属硫化物基气体传感器还很少，尚处于开发阶段。
[0003]传感器技术的发展方向之一是开发已知物质的气敏性能，纳米技术能使一些已知物质具有新的特殊功能，可为传感器提供优良的敏感材料。纳米气敏传感器具有常规传感器不可替代的优点:一是纳米固体材料具有庞大的界面，提供了大量气体通道，从而大大提高了灵敏度；二是工作温度大为降低；三是缩小了传感器的尺寸。
[0004]生产过程自动化是大型化工厂的发展方向，对化工生产实施自动控制的关键是研制出对原料或产品中某一组分具有灵敏度高、选择性好的气体传感器。这种气体传感器能将原料或产品中某一组分浓度变化转变为电信号，输送给控制设备，从而对化工生产实现自动控制。氨气是重要的化工原料、中间体和产品，涉氨化工生产在化工产业中占有非常大的比例。开发出灵敏度高、选择性好的氨气传感器是涉氨化工生产实现自动化的关键。由于化工生产中的氨气浓度较高，大多在百分浓度范围，因此，需要一些能对这一浓度范围氨气产生响应的气体传感器。目前，这一类氨气传感器有待于开发。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种采用超声波技术合成的纳米硫化锡材料和基于纳米硫化锡的氨气传感器及其制备方法。
[0006]本发明所提供的纳米硫化锡基氨气传感器依次由绝缘陶瓷管、一对金属电极、金属引出导线以及纳米硫化锡材料层组成，其中纳米硫化锡材料层中包括聚乙烯醇粘结剂。
[0007]所述绝缘陶瓷管为三氧化二铝陶瓷管。
[0008]所述金属电极是由金属Au所制成的叉指电极，两电极之间的距离为1mm。
[0009]所述金属引出线是金属Pt丝。
[0010]所述纳米硫化锡材料层的纳米粒子直径为40-120 nm ;纳米硫化锡材料层的厚度为 50 -200 μ m。
[0011]所述纳米硫化锡基气体传感器的详细制备方法，包括下面步骤。
[0012]I)制备硫化锡纳米粒子，在80KHz的超声波下，将SnCl4水溶液与沉淀剂反应，所述沉淀剂是Na2S和硫代乙酰胺溶液的任意一种，反应温度为室温至80°C范围，SnCl4与Na2S的摩尔比为1:2，SnCl4与硫代乙酰胺的摩尔比为1:4，反应结束后，抽滤，得到黄色沉淀，用蒸馏水洗涤，在120°C干燥得到硫化锡纳米粒子。
[0013]2)将步骤I)制备的硫化锡纳米粒子与粘结剂混合，研磨3小时，稀释后制成浆料。
[0014]3)将Au浆涂覆于清洗过的绝缘陶瓷管上制成叉指电极，烘干后焊接金属引出线。
[0015]4)将步骤2)制备的浆料旋涂到金属电极和绝缘陶瓷管上制备成纳米硫化锡材料层，然后120°C烘干得到传感器元件。
[0016]有益效果:本发明提供的纳米硫化锡基氨气传感器具有选择性好，响应和恢复快，制作简单，不需要烧结，常温下工作，耗能低和成本低的优点。
【附图说明】
[0017]图1为所述纳米硫化锡基氨气传感器的结构示意图。图1中I为三氧化二铝陶瓷管，2为Pt丝引出线，3为Au叉指电极，4为纳米硫化锡材料层。
[0018]图2为实施例1制备的纳米硫化锡基氨气传感器的响应度随氨气浓度变化曲线。
【具体实施方式】
[0019]下面通过具体实施例对本发明进一步详细描述，但本发明并不局限于此。
[0020]实施例1。
[0021]I)称取10.0克SnCl2.2H20 (0.04摩尔)，放入200毫升烧杯中，加10毫升浓盐酸溶解，此时，溶液略显浑浊。在搅拌下将SnCl2溶液加热至90°C，待SnCl2溶液澄清后。加入浓度为30%的双氧水30毫升，并加水至200毫升，搅拌2h，于避光环境中静置一天，得到SnCl4溶液。在剧烈搅拌下将制备的SnCl4溶液加热至沸，并保持沸腾20分钟，随后将SnCl4溶液置于超声波恒温水浴锅中加热至80°C，恒温并剧烈搅拌2小时，以使残存的双氧水量完全分解。开启超声波，将超声波频率调为80 kHz。取已配好的浓度为1.0摩尔/升的Na2S溶液80毫升，逐滴加入到SnCl4溶液中，SnCl4与Na2S的摩尔比为1: 2，有大量黄色沉淀生成，待其反应完全。冷却至室温，抽滤，用蒸馏水洗涤沉淀三次，将得到的硫化锡固体放入烘箱，在120°C烘干两小时得到硫化锡纳米粒子。
[0022]2)将步骤I)制备的硫化锡纳米粒子与0.1%的聚乙烯醇混合，研磨3小时，稀释后制成衆料。
[0023]3)取三氧化二铝陶瓷管1，放入浓度为8摩尔/升的氢氧化钠溶液煮沸30分钟，冷却后取出，用蒸馏水冲洗三遍，置于烘箱中烘干。将Au浆涂覆于清洗过的氧化二铝陶瓷管上制成Au叉指电极2，烘干，然后将直径0.1mm的Pt丝焊接到电极上作为引出线3。
[0024]4)将步骤2)制备的浆料旋涂到Au电极和三氧化二铝陶瓷管上制备成厚度为50μ m的纳米硫化锡材料层4，然后在120°C烘干得到传感器元件。
[0025]实施例2。
[0026]I)称取10.0克SnCl2.2H20 (0.04摩尔)，放入200毫升烧杯中，加10毫升浓盐酸溶解，此时，溶液略显浑浊。在搅拌下将SnCl2溶液加热至90°C，待SnCl2溶液澄清后。加入浓度为30%的双氧水30毫升，并加水至200毫升，搅拌2h，于避光环境中静置一天，得到SnCl4溶液。在剧烈搅拌下将制备的SnCl4溶液加热至沸，并保持沸腾20分钟，随后将SnCl4溶液置于超声波恒温水浴锅中加热至80°C，恒温并剧烈搅拌2小时，以使残存的双氧水量完全分解。冷却至室温后再开启超声波，将超声波频率调为80 kHz。取已配好的浓度为1.0摩尔/升的Na2S溶液80毫升，在室温下逐滴加入到SnCl4溶液中，SnCl4与Na2S的摩尔比为1:2，有大量黄色沉淀生成。待其反应完全，抽滤，用蒸馏水洗涤沉淀三次，将得到的硫化锡固体放入烘箱，在120°C烘干两小时得到硫化锡纳米粒子。
[0027]2)将步骤I)制备的硫化锡纳米粒子与0.1%的聚乙烯醇混合，研磨2.5小时，稀释后制成衆料。
[0028]3)取三氧化二铝陶瓷管1，放入浓度为8摩尔/升的氢氧化钠溶液煮沸30分钟，冷却后取出，用蒸馏水冲洗三遍，置于烘箱中烘干。将Au浆涂覆于清洗过的氧化二铝陶瓷管上制成叉指电极2，烘干，然后将直径0.1mm的Pt丝焊接到电极上作为引出线3。
[0029]4)将步骤2)制备的浆料旋涂到Au电极和三氧化二铝陶瓷管上制备成厚度为120μ m的纳米硫化锡材料层4，然后在120°C烘干得到传感器元件。
[0030]实施例3。
[0031]I)称取10.0克SnCl2.2H20 (0.04摩尔)，放入200毫升烧杯中，加10毫升浓盐酸溶解，此时，溶液略显浑浊。在搅拌下将SnCl2溶液加热至90°C，待SnCl2溶液澄清后。加入浓度为30%的双氧水30毫升，并加水至200毫升，搅拌2h，于避光环境中静置一天，得到SnCl4溶液。在剧烈搅拌下将制备的SnCl4溶液加热至沸，并保持沸腾20分钟，随后将SnCl4溶液置于超声波恒温水浴锅中加热至80°C，恒温并剧烈搅拌2小时，以使残存的双氧水量完全分解。开启超声波，将超声波频率调为80 kHz。取已配好的浓度为1.0摩尔/升的硫代乙酰胺溶液160毫升，逐滴加入到SnCl4溶液中，SnCl4与硫代乙酰胺的摩尔比为1:4，有黄色沉淀缓慢生成并逐步增多，待其反应完全。冷却至室温，抽滤，用蒸馏水洗涤沉淀三次，将得到的硫化锡固体放入烘箱，在120°C烘干两小时得到硫化锡纳米粒子。
[0032]2)将步骤I)制备的硫化锡纳米粒子与0.1%的聚乙烯醇混合，研磨2小时，稀释后制成衆料。
[0033]3)取三氧化二铝陶瓷管1，放入浓度为8摩尔/升的氢氧化钠溶液煮沸30分钟，冷却后取出，用蒸馏水冲洗三遍，置于烘箱中烘干。将Au浆涂覆于清洗过的氧化二铝陶瓷管上制成叉指电极2，烘干，然后将直径0.1mm的Pt丝焊接到电极上作为引出线3。
[0034]4)将步骤2)制备的浆料旋涂到Au电极和三氧化二铝陶瓷管上制备成厚度200 μ m的纳米硫化锡材料层4，然后在120°C烘干得到传感器元件。
【主权项】
1.一种气体传感器，其特征在于:依次由绝缘陶瓷管、一对金属电极、金属引出导线以及纳米硫化锡材料层组成，其中纳米硫化锡材料层中包括一种聚乙烯醇粘结剂。2.由权利要求1所述的气体传感器是一种氨气传感器，其特征在于:所述的绝缘陶瓷管为三氧化二招陶瓷管。3.由权利要求1所述的气体传感器，其特征在于:所述的金属电极由金属Au制成的叉指电极，两电极之间的距离为1mm。4.由权利要求1所述的气体传感器，其特征在于:所述的金属引出线是金属Pt丝。5.由权利要求1所述的气体传感器，其特征在于:所述纳米硫化锡材料层的纳米粒子直径为40-120 nm ;所述纳米硫化锡材料层的厚度为50-200 μ m。6.制备权利要求1-5中任一项所述气体传感器的方法，包括下面步骤: 1)制备硫化锡纳米粒子，以浓度为30%的双氧水作氧化剂，在90°C氧化SnCl2溶液得到SnCl4溶液，在80KHz的超声波下，将制备的SnCl4水溶液与沉淀剂反应，所述沉淀剂是Na2S和硫代乙酰胺溶液的任意一种，反应温度为室温至80°C范围，SnCl4与Na2S的摩尔比为1: 2，SnCl4与硫代乙酰胺的摩尔比为1: 4，反应结束，抽滤，得到黄色沉淀，用蒸馏水洗涤，120°C干燥得到硫化锡纳米粒子； 2)将步骤I)制备的硫化锡纳米粒子与粘结剂混合，研磨2-3小时，稀释后制成浆料； 3)将Au浆涂覆于清洗后的绝缘陶瓷管上，烘干后焊接金属引出线； 4)将步骤2)制备的浆料旋涂于金属电极和绝缘陶瓷管上制备成纳米硫化锡材料层，然后120°C烘干得到传感器元件。
【专利摘要】本发明公开了一种纳米硫化锡基气体传感器及其制备方法。所述传感器组成包括：绝缘陶瓷管，设于绝缘陶瓷管上的一对金属电极和金属引出导线以及喷涂于金属电极上气敏材料层，其中气敏材料层由纳米硫化锡组成。纳米硫化锡的制备是以浓度为30%的双氧水作氧化剂，在90℃氧化SnCl2水溶液得到SnCl4溶液，再将制得的SnCl4水溶液与硫代乙酰胺或硫化钠水溶液在超声波存在下反应。该传感器对氨气有很好的选择性，响应和恢复快，免烧结，能在室温下工作。可以用来测定百分浓度范围的氨气和涉氨生产过程的自动控制。
【IPC分类】G01N27/00
【公开号】CN105651814
【申请号】
【发明人】傅铁祥
【申请人】长沙理工大学
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2014年11月12日