[发明专利]一种气体传感材料及其制备方法以及采用该材料制作的气体传感器

说明书

本发明公开了一种气体传感材料及其制备方法，以及采用该材料制作的气体传感器。本发明所述气体传感材料的制备方法，以阳离子交换膜为模板进行仿生化合成，在温度为40℃～60℃的条件下，电解沉积1h～3h，取阴极室电解沉积产物即制备得到所述气体传感材料。所述气体传感材料中包括微观形貌呈管状，直径为5μm～30μm，长度为10～100μm的羟基磷灰石。采用本发明的气体传感材料制作气体传感器，可在室温下对有毒、有害气体进行有效检测，具有响应灵敏度高、响应回复时间短、检测到浓度低的优点。本发明的气体传感材料的制备方法，环境友好，操作方法简单，原材料比例可调，能耗低。

技术领域

本发明属于气体传感材料领域，尤其涉及一种气体传感材料的制备方法及由该方法制备得到的气体传感材料，以及一种采用该材料制作的气体传感器。

背景技术

羟基磷灰石(Hydroxyapatite，化学式为Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂，缩写为HAp)是自然骨和牙齿等生物硬组织的主要无机成分。HAp晶体为六方晶系，沿六方轴存在一个“隧道”，其“隧道”中有Ca²⁺和OH^-，易被Cd²⁺、Hg²⁺、Ba²⁺、Pd²⁺等金属离子替换，Ca²⁺还能够与含有羧基的有机酸、蛋白质及氨基酸等发生交换反应，因此HAp可以用作制备传感器检测重金属离子、有害金属离子、生物大分子等。HAp晶体表面有多重吸附位点，分别为带正电的C位点和带负点的P位点，对具有不同的荷电性质的物质，包括气体，表现出优越的吸附性能。HAp已经较多的应用于色谱分析以及电化学检测，但是作为气体传感材料却鲜有研究。R.U.Mene等人研究HAp对于CO、CO₂的气体传感性能发现，在165℃左右，HAp对于CO、CO₂具有良好的传感性能，机理源于这些气体分子与HAp表面的OH^-反应生成CO₃^2-，进入HAp的晶格中，或者进行空位掺杂，从而导致HAp电导率的变化。HAp虽然对于气体分子具有优异的吸附性能，但是HAp作为一维导电体，导电性能太差，操作温度较高，这大大限制了HAp在气体传感领域中的应用。通过离子辐射技术(Swift heavy ions irradiation,SHI)和掺杂Fe、Co等元素，可以改变HAp的物理属性和晶体结构，包括提高材料表面电负性，形成了新的化学键和缺陷等，从而使HAp对CO₂气体传感的响应灵敏度得到提高，操作温度有所降低，但是距离实际应用尚存差距。HAp在室温条件下对有毒、有害气体的气敏性能研究，则至今没有被报道过。

有毒、有害气体对全球气候，自然环境都存在严重危害，例如NH₃是一种剧毒大气污染物，大气中浓度只有几个ppm也会使人身体不适，0.1％～0.15％浓度的NH₃会致人死亡，工业上空气中允许NH₃最大质量浓度是0.01mg/L；土壤中NH₃达到一定浓度会使植被中毒死亡，同时NH₃还能严重腐蚀各种设备。目前，用于NH₃检测的气敏材料主要有WO₃系列、SnO₂系列、ZnO半导体，除此之外还有ZnS、尖晶石型复合氧化物Zn₂SnO₄、铁酸镧系氧化物LaFeO3、聚吡咯及聚苯胺等。但都普遍存在着工作温度高，响应恢复时间长，选择性以及响应度有待提高的问题。虽然近些年，也有在半导体复合材料如CuO-SnO₂，ZrO₂-SnO₂等中掺杂Fe，Ce，Au，Ag等其他贵金属元素的做法，以及通过无机物-有机物与聚吡咯-WO₃复合的方法被广泛用于提高对NH₃的气敏性能，但仍还有待改进。综上所述，研发一种在室温条件下，能够检测微量浓度的NH₃有毒、有害气体，并且具有高的选择性、快速响应回复以及低的工作温度的气体传感材料非常迫切。