一种利用催化-气敏机理光电检测三硝基甲苯蒸气的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用催化-气敏机理检测三硝基甲苯(TNT)蒸气的方法。具体涉及使用一定波长范围(200-800nm)的光源照射TNT电流式传感器中的催化-气敏材料表面，TNT蒸气分子在催化-气敏材料表面引起电流信号的改变。
【背景技术】
[0002]目前，硝基爆炸物的气敏传感器多是单纯的利用爆炸物分子在具有气敏性能的敏感材料表面吸附或脱附引起敏感材料的电信号改变来进行检测。该方法检测灵敏度低，极大程度的阻碍了爆炸物气敏传感器的实际应用。
[0003]气敏材料的光电检测原理为:由于半导体具有一定的禁带宽度(Eg)，当入射光光子能量(hv)大于或等于半导体禁带宽度时，会将半导体价带中的电子激发跃迀至导带，在一定的偏压下，光生电子会形成光电流。当爆炸物分子在气敏材料的表面吸附时，会使光电流的大小发生显著的改变。
[0004]此外，TNT等硝基爆炸物分子会在二氧化钛等光催化材料表面发生光催化反应，从而引起电信号改变；同时，催化反应产生的产物也会吸附在气敏材料表面，引起电信号改变。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于，提供一种利用催化-气敏机理光电检测三硝基甲苯的方法，该方法利用电流式传感器中的催化-气敏材料的催化性能与气敏性能，使用波长范围在200-800nm之间的光照射催化-气敏材料，激发催化_气敏材料的电子，使得催化_气敏材料能将TNT蒸气分子降解为小分子，通过电流式传感器电流信号的改变实现对三硝基甲苯(TNT)分子的检测，检测限达到2ppb;电流式传感器电流信号的改变是由于(a)TNT分子吸附对催化-气敏材料引起的电流信号改变；(b) TNT分子在催化-气敏材料表面被催化分解弓丨起的电流信号改变；(c) TNT分子的分解产物对催化-气敏材料引起的电流信号改变。本发明所述的检测方法具有在室温下进行以及非接触式检测的优点，极大的增强了传感器的实用性。
[0006]本发明所述的一种利用催化-气敏机理光电检测三硝基甲苯蒸气的方法，该方法中涉及的装置是由陶瓷基底⑴、电极⑵、催化-气敏材料⑶、电源⑷、电流表(5)和光源(6)组成，具体操作按下列步骤进行:
[0007]催化-气敏材料的制备:
[0008]a、将原料硝酸镉、硫脲按摩尔比1:2.5加入溶剂乙二胺进行溶解，待原料溶解后，将溶液转至聚四氟乙烯水热釜中，于温度200°C反应48h，冷却至室温，将产生的黄色沉淀过滤，用无水乙醇和去离子水洗涤，于温度60°C干燥6h，得到干燥物；
[0009]b、取干燥物加入无水乙醇中，超声分散20min，再加入钛酸四丁酯27-110 μ L，室温下搅拌40min，转至聚四氟乙烯水热釜中，于温度180°C反应15h，冷却至室温，将产生的黄色沉淀过滤，用无水乙醇和去离子水洗涤，于温度60°C干燥6h，即得催化-气敏材料
(3)；
[0010]可见光催化性能测试:
[0011]C、将步骤b得到的催化-气敏材料(3)均匀分散于10mg/L的甲基橙溶液中，黑暗条件下搅拌45分钟达到吸附平衡，使用300W的Xe灯作为光源(6)，照射含有催化-气敏材料⑶和甲基橙的混合液，每10分钟取样一次，测试其催化性能；
[0012]电流式传感器的制作:
[0013]d、在陶瓷基底⑴上固定电极(2)，将步骤d得到的催化-气敏材料(3)均匀涂覆在电极⑵上，将电极⑵与电源⑷和电流表(5)连通，构成电流式传感器；
[0014]光电性能测试:
[0015]e、将步骤d制作的传感器，使用光强为0-100W/m2、波长范围在200_800nm之间的光源(6)照射催化-气敏材料(3)，在4V的偏压下进行光电流的测试，通过开、关光源(6)测试催化-气敏材料(3)的光电转换性能；
[0016]三硝基甲苯蒸气的催化-气敏检测:
[0017]f、室温下，将电流式传感器中陶瓷基底(I)插入浓度为5_136ppb的三硝基甲苯蒸气的装置中，使用光强为6W/m2、波长468nm的光源(6)照射陶瓷基底⑴中的催化-气敏材料(3)，三硝基甲苯蒸气造成的催化-气敏材料(3)的电流信号的改变，再对电流信号按常规方法进行处理。
[0018]步骤b得到的催化-气敏材料(3)是一种对三硝基甲苯蒸气同时具有催化性能和气敏性能的光电材料。
[0019]步骤b得到的催化-气敏材料(3)是一维硫化镉/ 二氧化钛异质结材料。
[0020]步骤f中的光源(6)作用在于激发催化-气敏材料(3)的电子，使得催化-气敏材料⑶能将三硝基甲苯蒸气分子降解为小分子。
[0021]本发明所述的一种利用催化-气敏机理光电检测三硝基甲苯蒸气的方法，该方法利用电流式传感器中的催化-气敏材料的催化性能与气敏性能，使用波长范围(200-800nm)的光源照射三硝基甲苯(TNT)电流式传感器中的催化-气敏材料表面，三硝基甲苯(TNT)蒸气分子在催化-气敏材料表面引起电流信号的改变。电流信号的改变是由于(a)三硝基甲苯(TNT)分子吸附对催化-气敏材料引起的电流信号改变；(b)三硝基甲苯(TNT)分子在催化-气敏材料表面被催化分解引起的电流信号改变；(c)三硝基甲苯(TNT)分子的分解产物对催化-气敏材料引起的电流信号改变。该方法对三硝基甲苯(TNT)的检测限达到2ppb (即十亿分之一，V/V)。
【附图说明】
[0022]图1为本发明传感器示意图；
[0023]图2为实施例1中的催化-气敏材料(3)的扫描电子显微镜图；
[0024]图3为实施例1中的催化-气敏材料(3)的光催化性能图；
[0025]图4为实施例1中的催化-气敏材料(3)的光电响应性能图；
[0026]图5为实施例1中的催化-气敏材料(3)在室温下对浓度为72ppb的TNT蒸气的响应曲线；
[0027]图6为实施例2中的催化-气敏材料(3)的扫描电子显微镜图；
[0028]图7为实施例2中的催化-气敏材料(3)的光催化性能图；
[0029]图8为实施例2中的催化-气敏材料(3)的光电响应性能图；
[0030]图9为实施例2中的催化-气敏材料(3)在室温下对不同浓度(5ppb，10ppb，19ppb，38ppb，72ppb，136ppb)的 TNT 的响应曲线；
[0031]图10为实施例3中的催化-气敏材料(3)的扫描电子显微镜图；
[0032]图11为实施例3中的催化-气敏材料(3)的光催化性能图；
[0033]图12为实施例3中的催化-气敏材料(3)的光电响应性能图；
[0034]图13为实施例3中的催化-气敏材料(3)在室温下对浓度为72ppb的TNT蒸气的响应曲线；
[0035]图14为实施例2中的催化-气敏材料(3)在室温下，于黑暗条件下对72ppb的TNT蒸气的响应曲线；
[0036]图15为实施例2中的催化-气敏材料(3)在室温下对不同浓度(5ppb，10ppb，19ppb，38ppb，72ppb，136ppb)的TNT的响应值大小标定曲线。
[0037]图16为本发明利用催化-气敏机理光电检测三硝基甲苯(TNT)蒸气的方法示意图；
【具体实施方式】
:
[0038]以下结合附图和实施例对本专利进行详细说明:
[0039]实施例1
[0040]催化-气敏材料3制备:
[0041]a、将原料硝酸镉、硫脲按摩尔比1:2.5加入溶剂乙二胺进行溶解，待原料溶解后，将溶液转至聚四氟乙烯水热釜中，于温度200°C反应48h，冷却至室温，将产生的黄色沉淀过滤，用无水乙醇和去离子水洗涤，于温度60°C干燥6h，得到干燥物；
[0042]b、取干燥物0.060g，加入40ml无水乙醇中，超声分散20min，再加入钛酸四丁醋27 μ L，室温下搅拌40min，转至聚四氟乙烯水热釜中，于温度180°C反应15h，冷却至室温；将产生的黄色沉淀过滤，用无水乙醇和去离子水洗涤，于温度60°C干燥6h，即得催化-气敏材料3，其形貌如图2所示；
[0043]可见光催化性能测试:
[0044]C、将步骤b得到的30mg催化-气敏材料3均匀分散于10mg/L的甲基橙溶液中，黑暗条件下搅拌45分钟达到吸附平衡，使用300W的Xe灯(波长大于等于400nm)作为光源6，照射含有催化-气敏材料3和甲基橙的混合液，每10分钟取样一次，测试其催化性能，如图3所示；
[0045]电流式传感器的制作:
[0046]d、在陶瓷基底I上固定电极2，将步骤d得到的催化-气敏材料3均匀涂覆在电极2上，将电极2与电源4和电流表5连通，构成电流式传感器；
[0047]光电性能测试:
[0048]e、将步骤d制作的传感器，使用光强为6W/m2、波长468nm的光源6照射催化-气敏材料3，在4V的偏压下进行光电流的测试，通过开、关光源6测试催化-气敏材料3的光电转换性能，如图4所示；
[0049]三硝基甲苯蒸气的催化-气敏检测:
[0050]f、室温下，将电流式传感器中陶瓷基底I插入浓度为72ppb的三硝基甲苯蒸气的装置中，使用光强为6W/m2、波长468nm的光源6照射陶瓷基底I中的催化-气敏材料3，三硝基甲苯蒸气造成的催化-气敏材料3的电流信号的改变，再对电流信号按常规方法进行处理，结果如图5所示。
[0051]实施例2
[0052]催化-气敏材料3的制备:
[0053]a、将原料硝酸镉、硫脲按摩尔比1:2.5加入溶剂乙二胺进行溶解，待原料溶解后，将溶液转至聚四氟乙烯水热釜中，于温度200°C反应48h，冷却至室温，将产生的黄色沉淀过滤，用无水乙醇和去离子水洗涤，于温度60°C干燥6h，得到干燥物；
[0054]b、取干燥物0.060g，加入40ml无水乙醇中，超声分散20min，再加入钛酸四丁醋55 μ L，室温下搅拌40min，转至聚四氟乙烯水热釜中，于温度180°C反应15h，冷却至室温；将产生的黄色沉淀过滤，用无水乙醇和去离子水洗涤，于温度60°C干燥6h，即得催化-气敏材料3，其形貌如图6所示；
[0055]可见光催化性能测试:
[0056]C、将步骤b得到的30mg催化-气敏材料3均匀分散于10mg/L的甲基橙溶液中，黑暗条件下搅拌45分钟达到吸附平衡，使用300W的Xe灯(波长大于等于400nm)作为光源6，照射含有催化-气敏材料3和甲基橙的混合液，每10分钟取样一次，测试其催化性能，如图7所示；
[0057]电流式传感器的制作:
[0058]d、在陶瓷基底I上固定电极2，将步骤d得到的催化-气敏材料3均匀涂覆在电极2上，将电极2与电源4和电流表5连通，构成电流式传感器；
[0059]光电性能测试:
[0060]e、将步骤d制作的传感器，使用光强为6W/m2、波长468nm的光源6照射催化-气敏材料3，在4V的偏压下进行光电流的测试，通过开、关光源6测试催化-气敏材料3的光电转换性能，如图8所示；
[0061]三硝基甲苯蒸气的催化-气敏检测:
[0062]f、室温下，将电流式传感器中陶瓷基底I插入不同浓度(5ppb，lOppb，19ppb，38ppb，72ppb，136ppb)的三硝基甲苯蒸气的装置中，使用光强为6W/m2、波长468nm的光源6照射陶瓷基底I中的催化-气敏