本发明涉及气体检测
技术领域：
，尤其涉及一种基于三元纳米材料的气体检测单元。
背景技术：
：随着互联网技术的快速发展，作为互联网连接基础的物联网也发展迅速，同样地，作为物联网的基础环节，传感器作为一种可以探测气体信号的装置，其是信息获取的关键环节，对于物联网以及互联网数据的获取至关重要。近二十年来，纳米材料已经成为气体传感器中敏感材料的主要物质，纳米材料的合成方法、材料的种类、微观结构和物理化学性质以及传感器的制备工艺等都被投入了大量的时间和精力；虽然部分器件已经在气体检测领域达到了商业化的应用，然而，基于纳米材料的半导体型气体传感器的检测性能还需进一步提高。技术实现要素：基于上述技术问题，为更多性能出色的气敏传感器的制备提供更多可能，本发明旨在提供一种基于三元纳米材料的气体检测单元。本发明的实施例中提供了一种基于三元纳米材料的气体检测单元，所述气体检测单元为一种气体传感器，所述气体传感器为旁热式结构，包括陶瓷管，在陶瓷管外表面设有敏感材料层，其特征在于，所述敏感材料层为一种基于三元金属硫化物空心微球的混合物，具体为Cu1-XZnXS空心微球和Y2O3纳米粉体的混合物。本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：本发明的气体检测单元中，该敏感材料为Cu1-XZnXS空心微球和Y2O3纳米粉体的混合物，通过将三元金属硫化物Cu1-XZnXS作为气敏材料，产生了意料不到的技术效果，通过Zn元素及Cu元素的电负性，对气体的吸附作用更强，并通过Y2O3纳米粉体的掺杂及确定掺杂比例，使得该气敏材料对乙醇产生了较高的灵敏度，响应恢复时间短，并且，最佳工作温度为140℃，工作温度较低。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。附图说明利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。图1是本发明气体检测单元的剖面结构示意图。具体实施方式这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。本发明的实施例涉及一种基于三元纳米材料的气体检测单元，该气体检测单元为一种气体传感器，如图1所示，该气体传感器为旁热式结构，包括陶瓷管1，在陶瓷管1外表面设有敏感材料层2，在敏感材料层2的两边设有一对金电极3，在陶瓷管1的内部设有加热元件4；该金电极3的厚度为2mm，该加热元件4为Pt加热丝；其中，所述敏感材料层2为一种基于三元金属硫化物空心微球的混合物，具体为Cu1-XZnXS空心微球和Y2O3纳米粉体的混合物。如上，该敏感材料中包含Cu1-XZnXS空心微球和Y2O3纳米粉体，两者的质量之比为7:1。在现有技术中，关于气体传感器的技术方案，具体到基于纳米材料的半导体型气体传感器中，其敏感材料多集中于传统的单一金属氧化物，比如ZnO、SnO2、TiO2、In2O3等，然而其仍然存在响应恢复时间长、灵敏度较低的问题；而将金属硫化物作为气敏材料的技术方案相对很少，并且金属硫化物多为二元金属硫化物，比如将CdS纳米线作为气敏材料。本发明技术方案中，创造性的将三元金属硫化物Cu1-XZnXS作为气敏材料，产生了意料不到的技术效果，通过Zn元素及Cu元素的电负性，对气体的吸附作用更强，并通过Y2O3纳米粉体的掺杂及确定掺杂比例，使得该气敏材料对乙醇产生了较高的灵敏度，响应恢复时间短，并且，最佳工作温度为140℃，工作温度较低。同时，该Cu1-XZnXS空心微球是以碳质多糖球为模板、水热法制备的，该Cu1-XZnXS空心微球的粒径为500nm。关于二元金属硫化物作为气敏材料的技术方案中，该金属硫化物大多为纳米线材料，而将三元金属硫化物空心微球纳米材料作为气敏材料的技术方案还没有报道。本发明中，采用传统的碳质多糖球为模板，创造性的制备了Cu1-XZnXS空心微球，并且，该Cu1-XZnXS空心微球粒径为500nm，采用上述材料作为气敏材料并在该粒径尺寸下，能够保证敏感材料与目标气体充分接触并使得气体能够扩散进敏感材料的更深区域，从而提高了敏感材料的利用效率。该敏感材料中包含Y2O3纳米粉体，该Y2O3纳米粉体的粒径为100nm，优选地，上述Cu1-XZnXS空心微球中，该X的值为0.7。本发明技术方案中，在实践中发现，通过控制Cu1-XZnXS空心微球中阳离子组份比例，能够对敏感材料的气敏性能起到调控作用，当X为0.7时，上述的Cu0.3Zn0.7S空心微球对乙醇的响应度最高。实施例所有的试剂都是分析纯级别，使用前没有经过进一步的提纯处理。所述气体传感器的制备过程为：步骤1、制备碳质多糖微球将5g葡萄糖溶于35ml去例子水中形成澄清溶液，然后将其放入水热釜中，将该水热釜在190℃下保持10h，将所得的前驱液用乙醇和去例子水反复清洗5次，之后在80℃烘干13h，得到碳质多糖微球；步骤2、制备Cu0.3Zn0.7S空心微球首先，将1mmol的硫脲溶于二甲基甲酰胺中形成0.1mol/L的溶液A，将0.7mmol的醋酸锌溶于二甲基甲酰胺中形成0.07mol/L的溶液B，将0.3mmol的醋酸铜溶于二甲基甲酰胺中形成0.03mol/L的溶液C，将1.8g的碳质多糖微球超声溶于150ml的二甲基甲酰胺中形成溶液D；其次，取溶液A、B、C各50ml，向溶液A、B、C中分别加入乙二胺和去离子水体积比为2:1的混合溶液10ml；然后，将溶液A、B、C依次、缓慢滴加到溶液D中，同时不断磁力搅拌，然后超声1h后，将混合溶液转移到聚四氟乙烯容器中，密封，在180℃下保温10h，然后冷却至室温，在室温下放置2天，用乙醇和去离子水交替离心清洗，将固体混合物在70℃烘干10h，得到Cu0.3Zn0.7S空心微球；步骤3、制备敏感材料将Y2O3纳米粉体与上述离心干燥后的Cu0.3Zn0.7S空心微球混合、研磨均匀，然后将其高温煅烧；优选地，所述高温煅烧过程为：分别在300℃下煅烧4h、430℃下煅烧0.5h；步骤4、制备气体传感器将步骤3中得到的敏感材料与去例子水以2:1的重量比超声混合均匀，形成浆糊状，将浆糊状涂覆在带有金电极的陶瓷管表面，将加热丝插入到陶瓷管中，制作好旁热是器件，在120℃的工作温度下老化100h，即得所述基于三元金属硫化物的气体传感器。本发明上述传感器的测试采用静态测试环境对其敏感性能进行评价，具体是通过北京艾立特公司生产的CGS-8智能气敏分析系统来进行测试完成的。定义传感器的响应度为S＝Ra/Rg，其中，Ra为传感器在空气中的电阻值，Rg为传感器在待测气体中的电阻值；测试过程为：首先将传感器放置在空气瓶中，待传感器的电阻值稳定2h后，将其转移到装有一定浓度的待测气体的测试气瓶中，传感器的电阻值会发生变化，并慢慢再次趋于稳定；待电阻值不再变化后，将传感器从待测气体中转移回空气瓶中，使传感器的阻值恢复，响应时间定义为传感器从进入待测气体开始到传感器电阻值变化达到总变化值的90％时所需的时间，相应的，恢复时间就是传感器从待测气体转移回空气中开始到电阻值变化达到总变化值的90％时所需的时间。测试过程中，环境温度为25℃，如下表1，显示了实施例中，当X取值为从0到0.9之间不同值时，其分别对100ppm乙醇气体的响应度和工作温度之间的关系，可以看到，气体传感器的响应度随工作温度的变化而变化，首先，随工作温度的增加，响应度增加，随后，在最佳工作温度下，气体传感器的响应度达到最大，当温度进一步升高时，响应度反而降低。本发明技术方案中，当X取值不同时，其最佳工作温度不同，当X的值为0.7时，该气体传感器的最佳工作温度较低，为140℃，响应度达到47，相较单一金属氧化物作为敏感材料，工作温度大大降低，并且响应度较高。表1实施例中Cu1-XZnXS空心微球气体传感器对100ppm乙醇气体的响应度随工作温度的变化关系X＝0X＝0.1X＝0.3X＝0.5X＝0.7X＝0.9100℃2689267120℃61317143413140℃121623184718160℃162431253124180℃213335322327200℃253624231522240℃32301516716280℃24257727然后，如下表2，显示了在工作温度为140℃下，当X取值为从0到0.9之间不同值时，其分别对100ppm乙醇气体的响应和恢复时间。表2工作温度为140℃，Cu1-XZnXS空心微球气体传感器对100ppm乙醇气体的响应X＝0X＝0.1X＝0.3X＝0.5X＝0.7X＝0.9响应时间2s3s4s2s1s1s恢复时间3s5s6s3s。1s2s从实用化角度，传感器需要具备快速的响应恢复时间和高的响应度，气敏传感器的响应恢复速度是衡量气体传感器的重要参数指标，快速的响应恢复速度有利于传感器对环境中气体的种类和浓度变化做出快速反应，同时，工作温度也是衡量气体传感器的重要参数指标，工作温度降低，有利于节约能源。本发明技术方案中，该敏感材料采用上述的Cu1-XZnXS空心微球和Y2O3纳米粉体，使得本发明的传感器在140℃较低的工作温度下，取得了意料不到的高响应度和快速的响应恢复时间。以上所述仅为本发明的较佳方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3