一种氧化铜掺杂五氧化二钒的纳米纤维的制备方法及其应用与流程

本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种氧化铜掺杂五氧化二钒的纳米纤维的制备方法及其应用。

背景技术：

在当今高速成长的信息化时期，物联网在信息社会中起着不可或缺的作用。物联网是指通过传感器等设备收集所需的相关数据，经过处理之后将其传输到互联网，以达到实时监控、调节、管理的目的。传感器作为采集所需信息的工具，是物联网系统的一种关键元件。其常见分类有，气、热、光、声敏等不同类型的传感器。气体传感器是一种有针对性地定量检测某种气体的元件，作为传感器的一种重要的分支，在国防、生产、生活等各种领域都有广泛的应用。特别是对于当今迫在眉睫的环境问题，气体传感器能够对大气中以及室内污染气体进行检测，从而使得对污染、有害气体的监控和治理有了数据依据，因此气体传感器对大气污染治理工作起到重要的作用。

由于纳米纤维(直径10nm-100nm)具有独特的纳米结构，使得其拥有优异的特性，如：表面积体积比可达普通纤维(直径10μm-100μm)的1000倍、良好的表面活性、较强的气体分子吸附作用等。这些独特的纳米结构和性能使得纳米纤维是一种比较理想的传感器材料。

作为n型的半导体氧化物，v2o5具有一系列良好的特性，如具有不错的热稳定性，以及优良的化学稳定性、多化合价、宽的光学带隙、优异的热电性质等，因此是一种理想的微电子、电化学、气体传感和光电子材料。通过静电纺丝制作五氧化二钒纳米纤维，前人已有研究，如gracewee等人静电纺丝制备v2o5纳米纤维并制作超级电容器，谢等人静电纺丝制备v2o5并制作锂离子电池。而以五氧化二钒为成分制作气体传感器，前人也有研究，包括利用电子束蒸发、磁控溅射、激光脉冲沉积、化学气相沉积、溶胶凝胶法等不同的方法来制备v2o5纳米结构并制作气体传感器。如abbasi等人用喷雾热解法制备五氧化二钒纳米薄膜并制作乙醇传感器，a.dhayalraj等人制备五氧化二钒纳米棒并测试乙醇气敏性，modafferi等人利用静电纺丝制备五氧化二钒纤维并测试氨的气敏性。然而这些传感器都有着灵敏度不大、最佳工作温度太高、选择性不强等不足，需要更多的研究来改进。

鉴于以上原因，特提出本发明。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的以上问题，本发明提供了一种氧化铜掺杂五氧化二钒的纳米纤维的制备方法及其应用，本发明的纳米纤维经过静电纺丝后得到的具有良好形貌的纳米纤维，将其应用在气体传感器中具有较高的灵敏度和选择性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种氧化铜掺杂五氧化二钒的纳米纤维的制备方法，包括如下步骤：

(1)将聚乙烯吡咯烷酮加入到有机溶剂中，搅拌25-35min直至溶解，形成无色粘稠液体；

(2)加入乙酰丙酮氧钒，搅拌溶解，然后加入二水氯化铜，形成掺有铜元素的前驱体溶液；

(3)将所述的前驱体溶液进行静电纺丝，干燥，得到所述的氧化铜掺杂五氧化二钒的纳米纤维。

进一步的，步骤(1)中所述的有机溶剂为无水乙醇与二甲基甲酰胺的混合溶液。

进一步的，无水乙醇与二甲基甲酰胺的体积比为3-5:1-3，优选的，体积比为2:1。

进一步的，步骤(1)中聚乙烯吡咯烷酮与有机溶剂的质量体积比为0.1g:0.8-1.2ml，优选的，质量体积比为0.1g:1ml。

进一步的，步骤(1)中聚乙烯吡咯烷酮的的粘均分子量为120-140万，优选的，粘均分子量为130万。

进一步的，步骤(2)中乙酰丙酮氧钒与二水氯化铜的质量比为8-12:1。

进一步的，步骤(2)中乙酰丙酮氧钒与聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1:2-4，优选的，质量比为1:3。

进一步的，步骤(2)中搅拌溶解10-20min，优选的，搅拌溶解15min。

进一步的，步骤(3)中干燥温度为55-65℃，干燥时间为10-20min，优选的，干燥温度为60℃，干燥时间为15min。

本发明的静电纺丝在如下的条件下进行的：将所述的前驱体溶液装入5ml的带有金属针头的塑料针筒中，将针筒固定在正极，负极接上铝箔，针头尖端和铝箔的距离设为15厘米。腔室内温度调为45℃，湿度调到30％，溶液推进速率调为0.01ml/min。然后对正负极施加15kv的电压，开始静电纺丝。

本发明还提供了一种所述的制备方法制备的氧化铜掺杂五氧化二钒的纳米纤维在气体传感器中的应用。

气体传感器的制备方法如下：将一滴松油醇滴入所述的纳米纤维中，用研钵进行研磨，直至形成糊状混合物，将糊状物均匀涂敷在小陶瓷管上，陶瓷管上有着预先镀好的一组金属电极，将糊状物涂至覆盖金属电极。一根加热用铂丝穿入陶瓷管的中间，组成旁热型的传感器器件。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明的五氧化二钒的纳米纤维中掺杂入了氧化铜，且通过本发明的制备方法所得到的纤维由空心球状结构组成，这样可以利于气体在材料表面的扩散，从而制备的传感器的气敏性提高，具有较高的灵敏度、工作温度低、选择性强等特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是实施例2制备的纳米纤维的sem图；

图2是对比例1制备的纳米纤维的sem图；

图3是实施例2和对比例1的灵敏度测试图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

实施例1

本实施例的氧化铜掺杂五氧化二钒的纳米纤维的制备方法，包括如下步骤：

(1)将0.1g聚乙烯吡咯烷酮加入到3ml无水乙醇和1ml二甲基甲酰胺的混合溶液中，搅拌25min直至溶解，形成无色粘稠液体，其中聚乙烯吡咯烷酮的粘均分子量为120万；

(2)加入0.05g乙酰丙酮氧钒，搅拌10min溶解完全，然后加入6.25mg二水氯化铜，形成掺有铜元素的前驱体溶液；

(3)将所述的前驱体溶液进行静电纺丝，在温度为55℃下，干燥20min，得到所述的氧化铜掺杂五氧化二钒的纳米纤维；

其中，静电纺丝的方法如下：将所述的前驱体溶液装入5ml的带有金属针头的塑料针筒中，将针筒固定在正极，负极接上铝箔，针头尖端和铝箔的距离设为15厘米。腔室内温度调为45℃，湿度调到30％，溶液推进速率调为0.01ml/min。然后对正负极施加15kv的电压，开始静电纺丝。

实施例2

本实施例的氧化铜掺杂五氧化二钒的纳米纤维的制备方法，包括如下步骤：

(1)将0.6g聚乙烯吡咯烷酮加入到4ml无水乙醇和2ml二甲基甲酰胺的混合溶液中，搅拌30min直至溶解，形成无色粘稠液体，其中聚乙烯吡咯烷酮的粘均分子量为130万；

(2)加入0.2g乙酰丙酮氧钒，搅拌15min溶解完全，然后加入20mg二水氯化铜，形成掺有铜元素的前驱体溶液；

(3)将所述的前驱体溶液进行静电纺丝，在温度为60℃下，干燥15min，得到所述的氧化铜掺杂五氧化二钒的纳米纤维；

其中，静电纺丝的方法如下：将所述的前驱体溶液装入5ml的带有金属针头的塑料针筒中，将针筒固定在正极，负极接上铝箔，针头尖端和铝箔的距离设为15厘米。腔室内温度调为45℃，湿度调到30％，溶液推进速率调为0.01ml/min。然后对正负极施加15kv的电压，开始静电纺丝。

实施例3

本实施例的氧化铜掺杂五氧化二钒的纳米纤维的制备方法，包括如下步骤：

(1)将0.67g聚乙烯吡咯烷酮加入到5ml无水乙醇和3ml二甲基甲酰胺的混合溶液中，搅拌35min直至溶解，形成无色粘稠液体，其中聚乙烯吡咯烷酮的粘均分子量为140万；

(2)加入0.167g乙酰丙酮氧钒，搅拌20min溶解完全，然后加入13.89mg二水氯化铜，形成掺有铜元素的前驱体溶液；

(3)将所述的前驱体溶液进行静电纺丝，在温度为65℃下，干燥20min，得到所述的氧化铜掺杂五氧化二钒的纳米纤维；

其中，静电纺丝的方法如下：将所述的前驱体溶液装入5ml的带有金属针头的塑料针筒中，将针筒固定在正极，负极接上铝箔，针头尖端和铝箔的距离设为15厘米。腔室内温度调为45℃，湿度调到30％，溶液推进速率调为0.01ml/min。然后对正负极施加15kv的电压，开始静电纺丝。

对比例1

本实施例的纳米纤维的制备方法与实施例2相同，不同之处在于，不添加二水氯化铜。

试验例1

将实施例2和对比例1制备的纳米纤维分别进行煅烧处理，400℃煅烧4小时，温度以5℃/min的速率提高，以除去前驱体中的有机成分，然后进行ssem观测形貌，sem图分别如图1和图2所示。

从图1和图2中可以看出，实施例2制备的纳米纤维是链株型网状结构，直径约为200nm，样品纤维由空心球状结构组成，该结构有利于气体在材料表面的扩散，而对比例1制备的纤维没有此结构，经测量得知，图中存在间距约为0.194nm的晶面，此晶面与cuo的(-112)晶面对应，证明氧化铜掺杂到五氧化二钒纳米纤维中。

本发明人也对其他实施例做了上述试验，结构基本一致，由于篇幅有限，不在一一列出。

实施例2

将实施例2和对比例1制备的纳米纤维分别制成传感器件，方法如下：将一滴松油醇滴入所制备的纳米纤维中，用研钵进行研磨，直至形成糊状混合物，将糊状物均匀涂敷在小陶瓷管上，陶瓷管上有着预先镀好的一组金属电极，将糊状物涂至覆盖金属电极。一根加热用铂丝穿入陶瓷管的中间，组成旁热型的传感器器件。将制得的传感器装置在60℃空气中干燥30分钟，然后在马弗炉中煅烧，煅烧的各种参数是，400℃煅烧1小时，温度以4℃/min的速率提高。

分别对实施例2和对比例1制备的纳米纤维制成的传感器件进行气敏测试，如图3所示。从图中可以看出，对比例1制备的纯五氧化二钒的传感器件在400℃达到最佳工作温度，且当温度逐渐提高时，灵敏度变化并不大。而掺入氧化铜后，即实施例2制备的气体传感器相应具有最佳性能的温度(即最佳工作温度)略有升高，达到了440℃，但是灵敏度显著提升，且曲线出现了峰值，不同温度下传感器的性能差异很大。而且，掺入氧化铜后，传感器的灵敏度明显增加，实施例2制备的的传感器件灵敏度相对于纯五氧化二钒而言，从原来的的不足2.0最高提升到了接近4.0，由此看出，氧化铜对传感器的性能改进有明显作用。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。