一种纳米级锗掺杂的二氧化锡气敏材料、制备方法及其在高灵敏度氢气检测中的应用

本发明属于气敏材料，具体涉及一种纳米级锗掺杂的二氧化锡气敏材料、制备方法及其在高灵敏度氢气检测中的应用。

背景技术：

1、氢气是一种有前途的能源载体，具有高能量密度和零污染的特性。然而，氢气的易逃逸性和大范围的爆炸浓度(4％至75％)严重阻碍了氢气的实际应用。因此，开发高性能氢气传感器对保证氢气的使用安全十分必要。

2、在各种传感器中，金属氧化物半导体气体传感器因其成本低、体积小、易于生产的特点而成为了最具潜力的氢气传感器。目前多种纳米级的半导体氧化物如in2o3、sno2和zno已经被用来制备氢气传感器。但是，在这些材料制备的传感器中存在着一些问题，例如响应速度慢、检测限较高等，这限制了金属氧化物半导体氢气传感器的实际应用。因此，开发新的高性能氢气敏感材料对实际应用具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明提供了一种纳米级锗掺杂的二氧化锡气敏材料、制备方法及其在高灵敏度氢气检测中的应用。该气敏材料由纳米纤维组成，纳米纤维的直径为60～80nm，能够在220℃的工作温度下对氢气表现出极快的响应恢复速度和极低的检测下限，通过静电纺丝法制备该材料所需设备简单、成本低廉且稳定性好、易于批量生产和实际应用。该材料对氢气的响应时间小于2秒，检测下限仅为200ppb，能够满足实际应用所需，极具实际应用潜力和经济价值。进一步，该纳米级锗掺杂的二氧化锡气敏材料可以在光催化、电催化、太阳能电池等氢气传感领域中得到应用。

2、本发明所述的一种纳米级锗掺杂的二氧化锡气敏材料的制备方法，其步骤如下：

3、(1)将锡源、锗源溶于乙醇和dmf(二甲基甲酰胺)组成的混合溶液中，再加入高分子聚合物作为增稠剂和模板剂，搅拌均匀后得到澄清透明的电纺液；其中锡源与锗源的摩尔比为1：0.1～9，锡源和锗源、乙醇、dmf、高分子聚合物的质量比为0.2：5～15：2～15：0.4～2.8；

4、(2)通过静电纺丝的方式将步骤(2)得到的电纺液制成由锡源、锗源和高分子聚合物组成的纳米纤维；静电纺丝机的针头内径为0.1～0.6mm；用铝箔作为阴极段的纤维接收器，铝箔与针头的间距为10～40cm；电纺丝温度为15～30摄氏度，湿度为20～40％；

5、(3)将步骤(2)制得的纳米纤维转移至陶瓷坩埚中，置于600～1200℃的马弗炉中焙烧3～15小时，从而得到所述的纳米级锗掺杂的二氧化锡气敏材料。

6、步骤(1)中锡源为乙酸锡、三环锡、草酸亚锡、硫醇甲基锡、四苯基锡、四丁基锡、二氯化锡中的一种或及几种。

7、步骤(1)中锗源为各种规格的锗粒、锗粉、氧化锗、硫化锗、偏锗酸钠、偏锗酸钾、碘化锗、氯化锗、羧乙基锗倍半氧化物和三氯化乙基锗中的一种或几种。

8、步骤(1)中高分子聚合物为聚乙烯吡咯烷酮(pvp)、聚氧化乙烯(peo)、聚乙烯醇(pva)、聚乙烯腈(pan)、醋酸纤维素(ca)中的一种或几种。

9、本发明所述的一种纳米级锗掺杂的二氧化锡气敏材料，其是由上述方法制备得到。

10、进一步地，本发明制备的纳米级锗掺杂的二氧化锡气敏材料可以在高灵敏度氢气检测中得到应用。

11、本发明的优点如下：

12、1、提供了一种制备纳米级锗掺杂的二氧化锡的合成方法，该方法操作简单，成本低廉。

13、2、纳米级锗掺杂的二氧化锡对氢气的响应时间小于2s，能够对氢气泄露进行及时报警，减少经济损失。

14、3、纳米级锗掺杂的二氧化锡对氢气的检测下限低，达到了ppb级，具有实际应用的价值。

15、4、纳米级锗掺杂的二氧化锡制备的气敏器件，其制备工艺简单、体积小、工作温度低、能耗小、重复性好，且便于携带，其在气体传感领域具有较大的应用前景。

技术特征：

1.一种纳米级锗掺杂的二氧化锡气敏材料的制备方法，其步骤如下：

2.如权利要求1所述的一种纳米级锗掺杂的二氧化锡气敏材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中锡源为乙酸锡、三环锡、草酸亚锡、硫醇甲基锡、四苯基锡、四丁基锡、二氯化锡中的一种或及几种。

3.如权利要求1所述的一种纳米级锗掺杂的二氧化锡气敏材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中锗源为锗粒、锗粉、氧化锗、硫化锗、偏锗酸钠、偏锗酸钾、碘化锗、氯化锗、羧乙基锗倍半氧化物和三氯化乙基锗中的一种或几种。

4.如权利要求1所述的一种纳米级锗掺杂的二氧化锡气敏材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中高分子聚合物为聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯腈、醋酸纤维素中的一种或几种。

5.如权利要求1所述的一种纳米级锗掺杂的二氧化锡气敏材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中是使静电纺丝机进行静电纺丝，针头内径为0.1～0.6mm；用铝箔作为阴极段的纤维接收器，铝箔与针头的间距为10～40cm；电纺丝温度为15～30摄氏度，湿度为20～40％。

6.一种纳米级锗掺杂的二氧化锡气敏材料，其特征在于：是由权利要求1～5任何一项所述的方法制备得到。

7.权利要求6所述的一种纳米级锗掺杂的二氧化锡气敏材料在高灵敏度氢气检测中的应用。

技术总结
一种纳米级锗掺杂的二氧化锡气敏材料、制备方法及其在高灵敏度氢气检测中的应用，属于气敏材料技术领域。本发明是以锗源、锡源和高分子聚合物为原料，通过静电纺丝法制备得到对氢气具有高灵敏度和响应迅速的纳米级锗掺杂的二氧化锡气敏材料；该气敏材料由直径为60～80nm纳米纤维组成。通过静电纺丝法制备该材料所需设备简单、成本低廉且稳定性好、易于批量生产和实际应用。该材料对氢气的响应时间小于2秒，检测下限仅为200ppb，能够满足实际应用所需，极具实际应用潜力和经济价值，能够助力实现“双碳目标”。进一步，该纳米级锗掺杂的二氧化锡气敏材料可以在光催化、电催化、太阳能电池等氢气传感领域中得到应用。

技术研发人员：李国栋,李佳玉,邹晓新
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27