稀土掺杂ZnO纳米晶温、湿度传感材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种溫度和湿度双重传感材料及其制备方法。
【背景技术】：
[0002] 溫度和湿度是非常重要的物理参数，溫、湿度的测量与日常生活密切相关，在工农 业生产、气象预报、气候分析、环境监测、军事及航空航天等领域有着十分广泛的应用。作为 溫度和湿度测量的核屯、部分一-溫度和湿度敏感材料，不仅需要具有高的溫度和湿度传感 特性，同时具备溫、湿度双重传感特性的敏感材料也是多参数检测的发展需求。溫度敏感材 料是利用物质各种物理性质随溫度变化的规律，把溫度转换为其它可测量量的材料。湿度 敏感材料是利用材料吸附水分子前后物理或化学特性的变化来测量湿度的变化。溫、湿度 敏感材料的种类、尺度W及结构对传感性能的优劣起着至关重要的作用。随着纳米科学技 术的快速发展，具有高比表面积、量子尺寸效应W及小尺寸效应等诸多结构特性纳米材料 的出现，为发展新一代高性能传感器带来了新的契机。目前，同时具备溫、湿度双重传感特 性的敏感材料较少，且溫度灵敏度和湿度响应范围、响应速度等性能还不理想。
【发明内容】
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[0003] 本发明的目的是提供一种同时具备优良溫度灵敏度和湿度响应范围、响应速度等 传感特性的稀上渗杂ZnO纳米晶溫、湿度传感材料及制备方法。
[0004] 本发明的稀±渗杂化0纳米晶溫、湿度传感材料，是一种WZnO的原材料与巧盐及 镜盐W100:2:20摩尔比进行快速反应获得的单分散纳米球状稀±离子渗杂ZnO纳米晶溫、 湿度传感材料。其中ZnO原材料是醋酸锋和硝酸锋中的一种，巧盐及镜盐为硝酸盐、盐酸盐 及醋酸盐中的一种。
[0005] 本发明的稀±渗杂ZnO纳米晶溫、湿度传感材料的制备方法如下：
[0006] 1)称取化0的原材料与稀±巧盐及镜盐，WZn2+离子的摩尔浓度比0.Immol/L将 它们加到有机溶剂二甘醇中，并揽拌至完全溶解。
[0007] 2)然后将步骤1)中得到的溶液装入带有回流装置的微波反应器中，在常压下W 60~100°C/min的速率快速升溫至120~180°C，并在该溫度保持5分钟。
[0008] 3)保溫结束后冷却至室溫，将步骤2制得的悬浊液进行离屯、分离，去掉上清液得 至IJ纳米晶粉末，然后按照浓度比例为0. 5g/L将粉末放入无水乙醇中超声处理20分钟。
[0009] 4)将步骤3)中制得的悬浊液进一步离屯、分离，去掉上清液，在干燥箱中W100°C 干燥2小时，得到稀±渗杂ZnO纳米晶溫、湿度传感材料。
[0010] 本发明的稀±渗杂ZnO纳米晶材料是一种粒径分布较均匀的圆球形纳米材料，稀 ±巧、镜离子均匀渗杂于ZnO纳米球中，在976nm激光激发下，稀±巧、镜离子渗杂ZnO纳米 晶材料能够发出人眼可见的绿色上转换发光。稀±渗杂上转换发光材料的发光特性与溫度 关系密切，因此稀±渗杂ZnO纳米晶材料可作为一种溫度传感材料。由于稀±渗杂ZnO纳 米球尺寸较小，表面积较大，具有较强的吸水特性，还可作为一种湿度传感材料。因此，本发 明的稀±渗杂ZnO纳米晶有望成为一种同时具备溫度和湿度传感特性的溫、湿度双重传感 材料。 W11] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0012] 1)本发明的产品是一种灵敏度高且稳定性优异的同时具备溫度和湿度传感特性 的稀±渗杂ZnO纳米晶材料，它能在300~650K溫度范围和相对湿度11~95%全范围做 出快速响应；
[0013] 2)本发明的制备工艺简单，容易操作，成本低廉，速度快，适合批量生产。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明实施例1所制备的溫、湿度传感材料的扫描电子显微镜照片图；
[0015] 图2为本发明实施例1所制备的溫、湿度传感材料的X射线衍射谱图；
[0016] 图3为本发明实施例1所制备的溫、湿度传感材料在976nm激光激发下的室溫上 转换发光光谱图；
[0017] 图4为本发明实施例1所制备的溫、湿度传感材料在976nm激光激发下的不同溫 度下的上转换发光光谱图；
[0018] 图5为本发明实施例1所制备的溫、湿度传感材料的绿色上转换发光强度比与溫 度之间的关系曲线图；
[0019] 图6为本发明实施例1所制备的溫、湿度传感材料溫度传感灵敏度随溫度的变化 曲线图；
[0020] 图7为本发明实施例1所制备的溫、湿度传感材料阻抗随相对湿度的变化曲线 图；
[0021] 图8为本发明实施例1所制备的溫、湿度传感材料的湿度传感动力学曲线图；
[0022] 图9为本发明实施例1所制备的溫、湿度传感材料的湿度传感响应-恢复曲线图；
[0023] 图10为本发明实施例1所制备的溫、湿度传感材料的湿度传感响应-恢复循环曲 线图；
[0024] 图11为本发明实施例1所制备的溫、湿度传感材料的湿滞曲线图。
【具体实施方式】
[0025] 下面W具体实施例的方式对本发明作进一步说明： 阳0%] 实施例1:
[0027]分别称取1. 0975mg醋酸锋狂n(OAc)2?2&0)、0.0443mg硝酸巧巧r(N03)3?5&0)和0. 4490mg硝酸镜灯b(N03)3.5&0)，将上述称取的物料溶解于50mL二甘醇值EG)中并揽 拌至完全溶解，然后装入带有回流装置的微波反应器中，在常压下Wl〇〇°C/min的速率升 溫至150°C，并在该溫度保持5分钟。保溫结束后冷却至室溫，将上述制得的悬浊液进行离 屯、分离，去掉上清液，然后按照浓度比例为0. 5g/L放入无水乙醇溶液中超声处理10分钟； 将上面步骤制得的乙醇悬浊液进一步进行离屯、分离，去掉上清液，在干燥箱中Wl〇〇°C干燥 2小时，得到稀±渗杂化0纳米晶材料。 阳02引 实施例2:
[0029]分别称取1. 4875mg硝酸锋狂n (N03)2?6&0)、0.0416mg醋酸巧巧r(OAc)3?他2〇) 和0. 4222mg醋酸镜灯b(0Ac)3 ?他2〇)，将上述称取的物料溶解于50血二甘醇值EG)中并 揽拌至完全溶解，然后装入带有回流装置的微波反应器中，在常压下W8(TC/min的速率升 溫至180°C，并在该溫度保持5分钟。保溫结束后冷却至室溫，将上述制得的悬浊液进行离 屯、分离，去掉上清液，然后按照浓度比例为0. 5g/L放入无水乙醇溶液中超声处理10分钟； 将上面步骤制得的乙醇悬浊液进一步进行离屯、分离，去掉上清液，在干燥箱中Wl〇〇°C干燥 2小时，得到稀±渗杂化O纳米晶材料。
[0030] 从图1所示的本实施例1所制备的溫、湿度传感材料的扫描电子显微镜照片图可W看出，所制得的稀±渗杂ZnO是单颗粒分散且粒径为200nm~450nm的球形粒子。从 图2所示的本实施例1所制备的溫、湿度传感材料的X射线衍射谱图可W看出，稀±渗 杂ZnO纳米晶材料是由六方相化0CJCPDSNo. 36-1451)和少量体屯、立方相孔203(JCPDS No. 41-1106)组成。从图3所示的本实施例1所制备的溫、湿度传感材料在976nm激光激 发下的室溫上转换发光光谱图可W看出，在976nm激光激发下，稀±渗杂ZnO纳米晶材料 在500~700nm波段范围内分别发射出绿色和红色上转换发光，分别对应于化离子的 也/25/2，％/2一 和申9々一 ％5/2跃迁，其中500~580nm的绿色上转换发光最强。 从图4所示的本实施例1所制备的溫、湿度传感材料在976nm激光激发下的不同溫度下的 上转换发光光谱图可W看出，材料所处的溫度不改变其发光波段，但对其发光强度有显著 影响，绿色和红色上转换发光强度均随着溫度的升高而下降。从图5所示的本实施例1所制 备的溫、湿度传感材料两个绿色上转换发光（咱。/2一4Iiw和4S3/2一 4Ii5/2)的强度比巧Qh/ Is))和溫度讯之间的关系曲线可W看出，两个绿色上转换发光的强度比R(IhAs)和溫度 T之间很好地满足关系式
其中拟合的参数C= 4. 54,AEA= 759,呈现 出良好的溫度传感特性。从图6所示的本实施例1所制备的溫、湿度传感材料的溫度传感 灵敏度（dR/dT))和溫度（T)之间的关系曲线可W看出，溫度传感灵敏度随溫度升高呈现先 增大后减小的趋势，其中在379. 5K溫度时具有最大灵敏度0. 0032K1。从图7所示的本实 施例1所制备的溫、湿度传感材料的阻抗随相对湿度变化曲线图可W看出该材料的阻抗随 湿度变化明显，跨越了 4个数量级，并且呈现出良好的线性关系。从图8所示的本实施例1 所制备的溫、湿度传感材料的湿度传感动力学曲线图可W看出，该材料在不同湿度下连续 工作，仍然保持良好的性能。从图9所示的本实施例1所制备的溫、湿度传感材料的湿度传 感响应-恢复曲线图可W看出，该材料从11%RH到95%RH的响应时间为12s，从95%RH 到11%RH的恢复时间为28s。从图10所示的本实施例1所制备的溫、湿度传感材料的湿 度传感响应-恢复循环曲线图可W看出，该材料具有较高的湿度传感稳定性。从图11所示 的本实施例1所制备的溫、湿度传感材料的湿滞曲线图可W看出，该材料具有优良的湿敏 吸附脱附性能，可W反复使用。
【主权项】
1. 一种稀土掺杂ZnO纳米晶温、湿度传感材料，其特征在于：它是一种以ZnO的原材料 与铒盐及镱盐以100:2:20摩尔比进行快速反应获得的具备温度和湿度传感特性的单分散 纳米球状稀土离子掺杂ZnO纳米晶材料。2. 根据权利要求1所述的稀土掺杂ZnO纳米晶温、湿度传感材料，其特征在于：ZnO的 原材料是醋酸锌和硝酸锌中的一种。3. 根据权利要求1所述的稀土掺杂ZnO纳米晶温、湿度传感材料，其特征在于：铒盐及 镱盐为硝酸盐、盐酸盐及醋酸盐中的一种。4. 权利要求1所述的稀土掺杂ZnO纳米晶温、湿度传感材料的制备方法，其特征在于： 具体步骤如下： 1) 称取ZnO的原材料与稀土铒盐及镱盐，以Zn2+离子的摩尔浓度比0.lmmol/L将它们 加到有机溶剂二甘醇中，并搅拌至完全溶解； 2) 然后将步骤1)中得到的溶液装入带有回流装置的微波反应器中，在常压下以60~ 100°C/min的速率快速升温至120~180°C，并在该温度保持5分钟； 3) 保温结束后冷却至室温，将步骤2)制得的悬浊液进行离心分离，去掉上清液得到纳 米晶粉末，然后按照浓度比例为〇. 5g/L将粉末放入无水乙醇中超声处理20分钟； 4) 将步骤3)中制得的悬浊液进一步离心分离，去掉上清液，在干燥箱中以100°C干燥 2小时，得到稀土掺杂ZnO纳米晶温、湿度传感材料。
【专利摘要】一种稀土掺杂ZnO纳米晶温、湿度传感材料是ZnO的原材料与铒盐及镱盐以100:2:20摩尔比进行快速反应获得的具备温度和湿度传感特性的单分散纳米球状稀土离子掺杂ZnO纳米晶材料，其制备方法如下：将ZnO的原材料与稀土铒盐及镱盐加到有机溶剂二甘醇中，然后将得到的溶液装入带有回流装置的微波反应器中，在常压下以60～100℃/min的速率快速升温至120～180℃，并在该温度保持5分钟，将上述制得的悬浊液进行离心分离，将所得到的纳米晶粉末放入无水乙醇中超声20分钟并去掉上清液，然后干燥2小时。该制备方法工艺简单、容易操作、成本低廉、速度快，并且所制备的单分散纳米球状稀土掺杂ZnO纳米晶同时具有高的温度和湿度传感特性。
【IPC分类】C09K11/54, G01D21/02, C09K11/78
【公开号】CN105295902
【申请号】CN201510694729
【发明人】曹保胜
【申请人】大连民族大学
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年10月22日