一种二氧化氮传感器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及传感器领域，具体地，涉及一种新型二氧化氮气体传感器及其制备方法，该传感器基于配合物[Fe (bipy02) C12]C1材料。
【背景技术】
[0002]二氧化氮是一种棕红色有刺激性气味的气体。主要来自于车辆废气、火力发电站和其他工业的燃料燃烧及硝酸、氮肥、炸药的工业生产过程。二氧化氮是一种影响空气质量的重要污染物，吸入二氧化氮会导致中毒反应甚至致命。二氧化氮主要损害呼吸道，吸入气体初期仅有轻微的眼及上呼吸道刺激症状，如咽部不适、干咳等。常经数小时至十几小时或更长时间潜伏期后发生迟发性肺水肿、成为呼吸窘迫综合征，出现胸闷、呼吸窘迫、咳嗽、咯泡沫痰、紫绀等。可并发气胸及纵隔气肿。肺水肿消退后两周左右可出现迟发性阻塞性细支气管炎。慢性毒害主要表现为神经衰弱综合征及慢性呼吸道炎症，个别病例出现肺纤维化，可引起牙齿酸蚀症。长期暴露在浓度为40到100毫克/立方米的二氧化氮环境中会影响人的身体健康。二氧化氮所带来的环境效应多种多样，包括:对湿地和陆生植物物种之间竞争与组成变化的影响；大气能见度的降低；地表水的酸化，富营养化以及增加水体中有害于鱼类和其它水生生物的毒素含量；腐蚀金属、油漆、皮革、纺织品及建筑材料等；渗入地下，可引起地下水酸化，酸化后的地下水中铝、铜、锌、镉等对人体有害金属元素的含量会偏。高二氧化氮也是形成光化学烟雾和酸雨的主要因素之一。因此，研制新型二氧化氮气体传感器替代传统的二氧化氮分析仪器和半导体传感器，以便快速检测和预警二氧化氮水平，具有重要意义。
[0003]二氧化氮气体传感器在国内外一直是人们研究的热点，为了提高传感器的敏感特性，分别从材料的选择和改性、信号检出两方面作了努力。二氧化氮气体传感器所用的材料一般有有机半导体材料和氧化物半导体材料。有机半导体材料主要有酞菁类、叶啉类、卟吩类、TCNQ等。其中研究得最多的是酞菁类材料，氧化物半导体材料WO3和31102。目前大多数研制者的主要精力放在以下几个方面:1)严格控制成膜工艺，包括控制升华温度，基片温度，升华速率，选择适当的基片材料以及退火处理等。以期得到符合要求的薄膜形态和结构；2)继续寻找新的敏感材料，某些材料主要是酞菁衍生物和一些环状配合物具有很好的光导性，可以用来提高敏感特性。基于这类材料的传感器结合光学技术，具有很好的发展前景；3)对氧化物半导体材料掺杂，得到比纯金属氧化物更好的复合材料；4)材料粒子尺寸纳米化以改进其气敏特性，是一个值得注意的方向。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对现有二氧化氮传感器的不足，采用新型配合物材料和超声波技术，提供一种基于配合物[Fe (bipy02) C12]C1材料的二氧化氮传感器及其制备方法。
[0005]本发明所提供的基于配合物[Fe (bipy02)Cl2]Cl材料的二氧化氮传感器依次由绝缘基片、一对金属电极、金属引出导线以及配合物[Fe (bipy02)Cl2]Cl材料层组成,其中配合物[Fe (bipy02) C12]C1材料层中包括聚乙烯醇粘结剂。
[0006]所述绝缘基片为三氧化二铝陶瓷方形基片。
[0007]所述金属电极是由金属Au所制成的叉指电极，两电极之间的距离为1mm。
[0008]所述金属引出线由金属Pt丝制成。
[0009]所述配合物[Fe (bipy02)Cl2]Cl材料层的纳米粒子直径为30_70 nm ;所述配合物[Fe (bipy02)Cl2]Cl 材料层的厚度为 25 -100 μ m。
[0010]所述纳米配合物[Fe (bipy02)Cl2]Cl 二氧化氮传感器的详细制备方法,包括下面步骤。
[0011]I)制备配合物[Fe (bipy02)Cl2]Cl，取无水FeCl3溶于15_20ml热DMF中，过滤后转入蒸馏瓶中，再补加15-20 ml DMF,另取bipy02溶于10-20 ml热DMF中，过滤，在搅拌下倾入蒸馏瓶中与前一溶液混合，FeCl3与bipy02的摩尔比为1:1，搅拌下加热至沸，回流15-30分钟，析出棕黄色晶体，冷至室温，抽滤，用DMF和乙醚各洗涤三次。于120°C真空干燥2小时得产物，产率为85.6-91.4%。
[0012]2)将步骤I)制备的配合物[Fe CbipyO2) Cl2JCl晶体研磨1_2小时，然后加入到
0.1%的聚乙烯醇溶液中，在100 KHz的超声波下均匀分散制成浆料。
[0013]3)将Au浆涂覆于绝缘基片上制成叉指电极，烘干后焊接金属引出线。
[0014]4)将步骤2)制备的浆料用电动喷枪喷涂到金属电极和绝缘基片上制备成[FeCbipyO2) Cl2]Cl纳米材料层,然后烘干得到传感器元件。
[0015]有益效果:本发明提供的二氧化氮传感器，基于新型配合物[Fe(bipy02)Cl2]Cl，具有选择性好，响应和恢复快，不需要烧结的优点。
【附图说明】
[0016]图1为实施例1制备的[Fe CbipyO2) Cl2]Cl纳米材料层的扫描电镜照片。
[0017]图2为实施例1制备的基于配合物[Fe CbipyO2) Cl2]Cl 二氧化氮传感器的响应度随二氧化氮浓度变化曲线。
【具体实施方式】
[0018]下面通过具体实施例对本发明进一步详细描述，但本发明并不局限于此。
[0019]实施例1。
[0020]I)取1.622g无水？6(:13在70°〇下溶于15ml DMF中，过滤后转入蒸馏瓶中，再补加15 ml DMF。另取1.882g bipy02溶于10 ml 70°C的热DMF中，过滤，在搅拌下倾入蒸馏瓶中与前一溶液混合。FeCl3与bipy02的摩尔比为1:1,搅拌下加热至沸，回流15分钟，析出棕黄色晶体。冷至室温，抽滤、用DMF和乙醚各洗涤三次。于120°C真空干燥2小时得产物，产率为91.4%。
[0021]2)将步骤I)制备的配合物[Fe (bipy02)Cl2]Cl晶体研磨2小时，然后加入到0.1%的聚乙烯醇溶液中，在100 KHz的超声波下分散30分钟制成粒子直径为30-70 nm的浆料。
[0022]3)取三氧化二铝陶瓷方形基片，放入浓度为4摩尔/升的氢氧化钠溶液煮沸15分钟，冷却后取出，用蒸馏水冲洗三遍，置于烘箱中烘干。将Au浆涂覆于清洗过的氧化二铝陶瓷基片上制成叉指电极，烘干，然后将直径0.1mm的Pt丝焊接到电极上作为引出线。
[0023]4)将步骤2)制备的浆料用电动喷枪喷涂到Au电极和三氧化二铝陶瓷基片上制备成厚度为100 μ m的[Fe CbipyO2) Cl2]Cl纳米材料层，在120°C烘干得到传感器元件。
[0024]实施例2。
[0025]I)取1.622g无水？6(:13在501:下溶于20ml DMF中，过滤后转入蒸馏瓶中，再补加10 ml DMF。另取1.882g bipy02溶于20 ml 50°C的热DMF中，过滤，在搅拌下倾入蒸馏瓶中与前一溶液混合。FeCl3与1^?702的摩尔比为1:1，搅拌下加热至沸，回流30分钟，析出棕黄色晶体。冷至室温，抽滤、用DMF和乙醚各洗涤三次。于120°C真空干燥2小时得产物，产率为85.6%。
[0026]2)将步骤I)制备的配合物[Fe (bipy02)Cl2]Cl晶体研磨I小时，然后加入到0.1%的聚乙烯醇溶液中，在100 KHz的超声波下分散I小时制成粒子直径为30-70 nm的浆料。
[0027]3)取三氧化二铝陶瓷方形基片，放入浓度为4摩尔/升的氢氧化钠溶液煮沸15分钟，冷却后取出，用蒸馏水冲洗三遍，置于烘箱中烘干。将Au浆涂覆于清洗过的氧化二铝陶瓷基片上制成叉指电极，烘干，然后将直径0.1 mm的Pt丝焊接到电极上作为引出线。
[0028]4)将步骤2)制备的浆料用电动喷枪喷涂到Au电极和三氧化二铝陶瓷基片上制备成厚度为25 μ m的[Fe (bipy02) Cl2] Cl纳米材料层，在120°C烘干得到传感器元件。
【主权项】
1.一种二氧化氮传感器，其特征在于:依次由绝缘陶瓷基片、一对金属电极、金属引出导线以及配合物[Fe (bipy02)Cl2]Cl材料层组成,其中配合物[Fe (bipy02)Cl2]Cl材料层中包括一种聚乙烯醇粘结剂。2.由权利要求1所述的二氧化氮传感器，其特征在于:所述的绝缘陶瓷基片为三氧化二铝方形绝缘陶瓷基片。3.由权利要求1所述的二氧化氮传感器，其特征在于:所述的金属电极由金属Au制成的叉指电极，两电极之间的距离为1mm。4.由权利要求1所述的二氧化氮传感器，其特征在于:所述的金属引出线是金属Pt丝。5.由权利要求1所述的二氧化氮传感器，其特征在于:所述配合物[FeCbipyO2) Cl2]Cl材料层的纳米粒子直径为30-70 nm;所述配合物[Fe (bipy02) Cl2] Cl材料层的厚度为25-100 μ mD6.制备权利要求1-5中任一项所述二氧化氮传感器的方法，包括下面步骤: 1)制备配合物[Fe(bipy02)Cl2]Cl，取无水 FeCl3 在 50-70°C 下溶于 15-20ml DMF 中，过滤后转入蒸馏瓶中，再补加10-15 ml DMF，另取bipy02溶于10-20 ml 50_70°C的热DMF中，过滤，在搅拌下倾入蒸馏瓶中与前一溶液混合，FeCl3与bipy02的摩尔比为1:1，搅拌下加热至沸，回流15-30分钟，析出棕黄色晶体，冷至室温，抽滤，用DMF和乙醚各洗涤三次，于120°C真空干燥1-2小时得产物，产率为85.6-91.4% ； 2)将步骤I)制备的配合物[FeCbipyO2) Cl2JCl晶体研磨1_2小时，然后加入到0.1%的粘结剂溶液中，在100 KHz的超声波下分散0.5-1小时制成浆料； 3)将Au浆涂覆于清洗后的绝缘陶瓷基片，烘干后焊接金属引出线； 4)将步骤2)制备的浆料用电动喷枪喷涂于金属电极和绝缘陶瓷基片上制备成配合物[Fe CbipyO2) Cl2]Cl纳米材料层，然后120°C烘干得到传感器元件。
【专利摘要】本发明公开了一种二氧化氮气体传感器及其制备方法。所述传感器组成包括：绝缘陶瓷管，设于绝缘陶瓷管上的一对金属电极和金属引出导线以及喷涂于金属电极和绝缘陶瓷管上的气敏材料层。其中气敏材料层由配合物[Fe（bipyO2）Cl2]Cl组成。制备方法如下：由无水FeCl3与bipyO2在沸腾的DMF中合成配合物[Fe（bipyO2）Cl2]Cl。取[Fe（bipyO2）Cl2]Cl固体研磨2小时，然后在去离子水中超声均匀分散，加入0.1%的聚乙烯醇粘结剂。将所得溶胶喷涂到叉指电极和绝缘管上，干燥3小时。该传感器具有响应度好，响应和恢复快，免烧结，能在室温下工作的优点。
【IPC分类】G01N27/00
【公开号】CN105651815
【申请号】
【发明人】傅铁祥
【申请人】长沙理工大学
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2014年11月12日