一种三元复合气敏材料制备方法及应用

1.本发明涉及气体传感器技术领域，尤其是涉及一种用于室温下检测co的三元复合气敏材料制备方法及应用。


背景技术：

2.一氧化碳(co)是一种无色无味、易燃易爆的有毒有害气体，对环境和人们健康有着巨大的危害。co经常出现在人们的生产生活中，如矿井、化工厂等作业时的意外泄漏、汽车尾气的排放、含碳化合物的不完全燃烧等均可产生大量的co。当co被吸入人体时会与血红高蛋白结合形成碳氧血红蛋白，降低人体血液输氧能力，吸入过量时可能；因缺氧而导致死亡。因此，对大气环境中co的及时准确地检测与控制至关重要。
3.根据工作原理的不同，开发了多种类型的气体传感器，其中半导体气体传感器因制备简单、功耗较低、灵敏度高、稳定性好等优点受到广泛关注。半导体气体传感器的气敏原理是敏感材料与测试气体分子接触时引起电导率(电阻值)发生变化。目前常见的半导体气体传感器的气敏材料主要是金属氧化物。近年来生化大分子材料作为敏感材料引起的广泛的关注，其中多肽自组装纳米管是一种有机半导体材料，具有丰富的可修饰的官能团，稳定性好，可提供较大的气体吸附表面，可室温下进行检测，功耗低等优势，被认为是制作气体传感器的理想材料。单一的气敏材料已无法满足实际应用的需求，因此开发二元或多元复合气敏材料，实现材料间的优势互补，深受较多研究学者的青睐。


技术实现要素：

4.本发明是为了提供了一种三元复合气敏材料制备方法，原材料易得，设备投资小，工艺简单，采用三元复合气敏材料制得的co传感器能实现在室温下对co气体的有效、高灵敏度的检测。
5.本发明还提供了一种三元复合气敏材料的应用。
6.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种三元复合气敏材料制备方法，包括以下步骤：(1)制备多肽自组装纳米管材料将苯丙氨酸二肽溶于适量二甲基亚砜中后，加入适量去离子水，静置，得多肽自组装纳米管材料。
7.(2)制备多肽自组装纳米管/sno2复合材料将多肽自组装纳米管材料加入等质量的混合液中，搅拌均匀后进行水热反应，反应结束后静置冷却至室温，离心、洗涤，得到的沉淀物经干燥、退火处理后，得多肽自组装纳米管/sno2复合材料；所述混合液中溶质为四氯化锡五水化合物，氢氧化钠和聚乙烯吡咯烷酮-k30，混合液中溶剂为去离子水和无水乙醇。本发明中将多肽自组装纳米管用于气体传感器领域，其大的比表面积可为检测气体提供较多的吸附位点，可在室温下进行较快的吸脱附反应。
8.(3)制备多肽自组装纳米管/sno2/石墨烯复合材料将适量石墨烯加入乙醇中超声处理后，加入多肽自组装纳米管/sno2复合材料继续超声处理，得悬浮液；将悬浮液干燥后，对得到的干燥物进行退火处理，得多肽自组装纳米管/sno2/石墨烯复合材料。本发明的多肽自组装纳米管/sno2/石墨烯三元复合气敏材料中，发挥了三种材料的协同作用，实现室温下对co的高效检测，其中，sno2在多肽自组装纳米管表面生成，能提高sno2纳米粒子的分散性，从而提高气敏性能；二维石墨烯的存在提供了大量载流子通道，有利于提升电子传输速率。
9.作为优选，步骤(2)中，多肽自组装纳米管材料的质量为混合液中溶质质量的0.1～1.5％；混合液中，溶质与溶液的质量比1：20，溶质中四氯化锡五水化合物，氢氧化钠和聚乙烯吡咯烷酮-k30的质量比为(8～10)：(5～8)：(2～3)，溶剂中去离子水和无水乙醇的质量比为2：3。
10.作为优选，步骤(2)中，水热反应条件为：反应温度150～180℃，反应时间20～33h。
11.作为优选，步骤(2)中，采用无水乙醇和去离子水进行交替洗涤。
12.作为优选，步骤(2)中，干燥条件为：干燥温度60～80℃，干燥时间10～18h。
13.作为优选，步骤(2)中，退火处理条件为：退火温度300℃，退火时间60～120min。
14.作为优选，步骤(3)中，退火处理条件为：退火温度300℃，退火时间30～60min。
15.一种三元复合气敏材料在co气体传感器中的应用。
16.因此，本发明具有如下有益效果：(1)采用苯丙氨酸二肽制备出多肽自组装纳米管，然后与氧化锡和石墨烯分步进行复合制备一种三元复合气敏材料，采用该三元复合气敏材料制得的co传感器，能实现在室温下对co气体的有效、高灵敏度的检测；(2)原材料易得，设备投资小，工艺简单。
附图说明
17.图1是实施例1中多肽自组装纳米管材料的扫描电子显微镜图。
18.图2是实施例1中多肽自组装纳米管/sno2/石墨烯复合材料的扫描电子显微镜图。
19.图3是实施例1中制得的co气体传感器在不同一氧化碳浓度(10ppm、20ppm、30ppm、40ppm)下的气敏特性图。
20.图4是实施例1中制得的co气体传感器在co浓度为40ppm时的响应恢复曲线图。
21.图5是实施例1中制得的co气体传感器在co浓度为40ppm时的重复性测试结果。
具体实施方式
22.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
23.实施例1(1)制备多肽自组装纳米管材料将40mg苯丙氨酸二肽溶于适量二甲基亚砜中后，加入适量去离子水，静置，得多肽自组装纳米管材料，二甲基亚砜与去离子水的体积比为1：9。
24.(2)制备多肽自组装纳米管/sno2复合材料将多肽自组装纳米管材料加入等质量的混合液中，搅拌均匀后进行水热反应，反
应温度160℃，反应时间24h，反应结束后静置冷却至室温，离心、采用无水乙醇和去离子水进行交替洗涤5次，得到的沉淀物经80℃下干燥12h、研磨、300℃退火处理1h后，得多肽自组装纳米管/sno2复合材料；混合液中溶质为四氯化锡五水化合物，氢氧化钠和聚乙烯吡咯烷酮-k30，混合液中溶剂为去离子水和无水乙醇；多肽自组装纳米管材料的质量为混合液中溶质质量的0.5％；混合液中，溶质与溶液的质量比为1：20，溶质中四氯化锡五水化合物，氢氧化钠和聚乙烯吡咯烷酮-k30的质量比为9：6：2.5，溶剂中去离子水和无水乙醇的质量比为2：3。多肽自组装纳米管材料的扫描电子显微镜图如图1所示。
25.(3)制备多肽自组装纳米管/sno2/石墨烯复合材料将2mg石墨烯加入乙醇中超声处理1h后，加入400mg多肽自组装纳米管/sno2复合材料继续超声处理，得悬浮液；将悬浮液干燥后，对得到的干燥物300℃退火处理30min，得多肽自组装纳米管/sno2/石墨烯复合材料。多肽自组装纳米管/sno2/石墨烯复合材料的扫描电子显微镜图如图2所示。
26.得到的多肽自组装纳米管/sno2/石墨烯复合材料具体应用方法为：称取40mg多肽自组装纳米管/sno2/石墨烯复合材料加入适量去离子水中超声处理30min，得到分散均匀的悬浮液；将叉指电极片依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗3min去除表面污渍后，将悬浮液通过移液枪转移到喷笔的容器中，使用喷涂法均匀地喷涂在叉指电极上，喷笔气压为0.02mpa，80℃烘干4h后即制得室温下检测的co气体传感器。
27.co气体传感器在不同一氧化碳浓度(10ppm、20ppm、30ppm、40ppm)下的气敏特性图如图3所示。从图3可知：该传感器在10ppm、20ppm、30ppm、40ppm的一氧化碳浓度下其响应值逐步增加，具有良好的线性度。
28.co气体传感器在co浓度为40ppm时的响应恢复曲线图如图4所示。从图4可知，该传感器有较快的响应恢复时间，响应恢复时间分别为29s和22s。
29.co气体传感器在co浓度为40ppm时的重复性测试结果如图5所示。从图5可知，该传感器经过连续多次测试的响应恢复曲线基本一致，每个响应恢复曲线所达到的峰值几乎保持一致,这表明所制备的co气体传感器有着优异的重复性性能。
30.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。