一种对丙酮气体高灵敏度的介孔铁酸钴材料的制备方法及应用与流程

本发明属于气敏材料领域，具体涉及一种对丙酮气体高灵敏度的介孔铁酸钴材料的合成和气敏性能研究。

背景技术：

随着社会的发展，环境污染问题日趋严重化。制备高灵敏度，选择性好，响应快速的气敏材料受到了广泛地关注。丙酮作为一种在化学领域常见的有机试剂和化学中间体，被广泛地应用在塑料、橡胶、油漆、染料和润滑剂等领域。然而丙酮对人体有一定的毒性，500～1000ppm之间会刺激鼻、喉，1000ppm时可致头痛并有头晕出现。当环境中的丙酮浓度达到2000-10000ppm时，可能导致头痛、支气管炎，甚至是昏迷等症状。因此，为了防止丙酮浓度超标，提早预警，制备出能快速，灵敏地检测出环境中丙酮浓度的气敏材料来保证我们工作环境的安全和人体的健康变得迫在眉睫。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本发明涉及一种对丙酮气体响应快速、高灵敏度和具有优异的选择性的对丙酮气体高灵敏度的介孔铁酸钴材料的制备方法和应用。

本发明采用的技术方案如下：

一种对丙酮气体具有高灵敏度的介孔铁酸钴材料的制备方法。具体包括以下步骤：

1）将乙酸钠固体溶解乙二醇中，搅拌均匀，形成乙酸钠的乙二醇混合溶液。

2）向乙酸钠的乙二醇混合溶液加入含有fe³⁺的盐和含有co²⁺的盐，得到混合溶液；其中fe³⁺，co²⁺和乙酸钠的摩尔比为2：1：15。

3）将混合溶液置于反应釜中在180℃下反应24h，得到固态的反应产物。

4）用乙醇清洗反应产物若干次后，再用去离子水清洗若干次，然后干燥至恒重，即得到介孔铁酸钴材料。

为了得到高灵敏度，响应快速，选择性好的铁酸钴气敏材料，本发明采用水热法，成功地制备出了对丙酮气敏性能优异的介孔铁酸钴材料。与现有的气敏材料相比，具有超高的气体敏感度，快速的响应和良好的选择性等诸多优点。之所以会产生介孔结构原因是：由于在反应釜的高温高压环境中，产物的生成过程中有气体小分子产生气泡，从而导致了产物拥有介孔结构。

介孔铁酸钴材料在气体敏感度检测上的应用，是利用表面覆着介孔铁酸钴的气敏元件针对空气中丙酮含量进行气体敏感度检测，所述的介孔铁酸钴层由上述制备的介孔铁酸钴材料构成。

表面覆着介孔铁酸钴的气敏元件采用以下方法制成：

（1）将介孔铁酸钴材料与松油醇混合，得到粘稠的浆液。

（2）将浆液均匀的涂抹在氧化铝陶瓷管上，再将该氧化铝陶瓷管置于60℃环境下干燥，以去掉松油醇，得到表面覆着介孔铁酸钴的气敏元件。

（3）将表面覆着介孔铁酸钴的氧化铝陶瓷管置于大气环境中加热至200℃并老化24h，以提高气敏元件的稳定性。

其中：步骤（2）所述的氧化铝陶瓷管的两端设置有金属环，其长度为4mm，直径为1mm。

气敏检测的原理（示意图如图1所示）：在一定的温度下，铁酸钴气敏材料表面的氧气分子将得到铁酸钴气敏材料导带层的电子，形成吸附性氧（o2^-,o^-,o^2-）。铁酸钴气敏材料由于失去电子，使得电阻发生改变。当目标气体加入后，与反应活性高的吸附性氧反应，并释放出先前得到的电子返回到铁酸钴气敏材料中，使得电阻恢复到最初的水平，气体敏感度即为加入目标气体前后，铁酸钴气敏材料的电阻值的比值。

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明制备的介孔铁酸钴材料对于丙酮气体有着特别优异的敏感度（在相对较低的温度260℃，100ppm的丙酮浓度下，气体敏感度高达226.9，是相同条件下，体材料的8.3倍）。

2、快速的响应（响应时间约为15秒）。

3、本发明制备的介孔铁酸钴气敏元件相对于其他气体（如氨水、甲醇等），对于丙酮气体有着特别高的选择性。

4、本发明采用水热法制备介孔铁酸钴材料，使用设备小，绿色环保，易于实现，便于推广。

附图说明

图1为气敏检测的工作原理示意图；

图2为本发明的表面覆着介孔铁酸钴层的气敏元件实物图；

图3为本发明制备的介孔铁酸钴材料对丙酮的敏感度的温度曲线；

图4为本发明制备的介孔铁酸钴材料对丙酮的敏感度的浓度曲线；

图5为本发明制备的介孔铁酸钴材料对丙酮浓度10-80ppm的敏感度曲线；

图6为本发明制备的介孔铁酸钴材料对不同气体的敏感度对比图。

附图中：bulk代表实施例二制备的铁酸钴体材料。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例一

采用以下方法制备介孔铁酸钴材料：

1）将15mmol乙酸钠固体溶解在25ml的乙二醇中，搅拌均匀，形成混合溶液a；

2）将2mmol氯化铁和1mmol的氯化钴加入到混合溶液a中，混合均匀后，形成混合溶液b；

3）将混合溶液b装入聚四氟乙烯反应釜中，在180℃下反应24小时；

4）最终产物再分别用乙醇和去离子水进行洗涤，再放入60℃干燥箱中干燥至恒重。

制备气敏元件：

1）将介孔铁酸钴材料与松油醇混合，得到粘稠的浆液。

2）将浆液均匀的涂抹在氧化铝陶瓷管表面，再将该陶瓷管置于60℃环境下干燥，以去掉松油醇，得到表面覆着介孔铁酸钴层的气敏元件。

3）将表面覆着介孔铁酸钴层的气敏元件置于大气环境中加热至200℃并老化24h，以提高气敏元件的稳定性。

实施例二

采用以下方法制备铁酸钴体材料：

1）将2mmol氯化铁和1mmol的氯化钴加入到25ml的乙二醇中，形成混合溶液c；

2）将混合溶液c陈化，再烘干焙烧就得到了铁酸钴体材料。

制备气敏元件：

1）将铁酸钴体材料与松油醇混合，得到粘稠的浆液。

2）将浆液均匀的涂抹在氧化铝陶瓷元件上，再将该陶瓷管置于60℃环境下干燥，以去掉松油醇，得到表面覆着铁酸钴体材料的气敏元件。

3）将表面覆着铁酸钴体材料的气敏元件置于大气环境中加热至200℃并老化24h，以提高气敏元件的稳定性。

实施例三

气体敏感度测试的温度范围为200~340℃；气体敏感度测试的浓度范围为10~500ppm。分加以实施例一、二制备的表面覆着介孔铁酸钴的气敏元件和表面覆着铁酸钴体材料的气敏元件进入检测。

通入含有丙酮的气体，并逐渐升温，以考察表面覆着介孔铁酸钴的气敏元件在不同温度下对丙酮的敏感度，其敏感度变化曲线如图3所示。经实验证明，在260℃时，对丙酮的气体敏感度最高。将工作温度保持在260℃，通入不同浓度的丙酮气体，以考察不同丙酮浓度对气敏元件敏感度的影响。其曲线如图4所示，其中10-80ppm的敏感度变化曲线见图5。再分别通入含有氨水、苯、丙酮、甲苯、甲醇、甲醛和乙醇的气体，以对比介孔铁酸钴和体材料在不同气体气氛下的敏感度，其敏感度的柱状图如图6所示。

上述气敏实验结果表明本发明的介孔铁酸钴材料对丙酮有良好的气体敏感性，是一种优异的气敏材料。

实施例一制备的介孔铁酸钴的检测指标列于表1。

表1介孔铁酸钴的检测指标

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。