[发明专利]一种水滑石基氨气气敏材料的制备及应用

说明书

本发明公开了一种水滑石基氨气气敏材料的制备及应用。本发明采用锌铬水滑石ZnCr‑LDHs作为前驱体通过焙烧制备得到ZnO/ZnCr₂O₄复合材料，由于锌铬水滑石片层结构的优点，层板金属可调控，金属元素分布均匀，焙烧之后金属氧化物ZnO与ZnCr₂O₄均匀分散，异质结构明显。将其用于制备氨气传感器，ZnO与ZnCr₂O₄尖晶石之间相互协同作用增加了对氧气的吸附，吸附氧增多，有利于提高气敏材料的气敏响应。本发明制备的氨气传感器工作温度低，在室温下即可检测；没有贵金属加入，制备成本低廉、制备方法简单；无其他任何有机溶剂或添加剂，绿色环保。

技术领域

本发明属于气体传感材料技术领域，特别涉及一种水滑石基氨气气敏材料的制备及应用。

背景技术

生活当中由于交通运输以及家庭排放大量的硫氧化物、氮氧化合物，其中一些易燃易爆，有毒性造成对环境的破坏和对人类身体健康有害。氨气是一种无色而具有强烈刺激性臭味的气体，比空气要轻。这种气体通常来自建筑施工中使用的混凝土外加剂，和室内装饰材料中的添加剂和增白剂。长期接触氨气，部分人可能会出现皮肤色素沉积或手指溃疡等症状。我们制备气敏材料的意义就是在我们人类所没有意识到气体带给我们的危害之前，气敏检测仪器就会带给我们警示，让我们能够及时的疏散。比如厨房当中的警报器是用来警示天然气是否泄漏，煤矿中的警示器用来警示煤矿工人有害气体是否超标，还有最常见的检测酒驾的警示器。

目前对有害气体气敏的研究方法：常见的有半导体金属氧化物作为气敏元件，合成方法有①水热法，比如制备Co₃O₄纳米片检测丙酮气体，有良好的抗干扰能力和稳定性，超薄，多孔，大比表面积是优异的气敏传感性能的主要原因。②模板法，制备纳米空心球，氧空位增多，引起更多的扩散和响应。例如Fe掺杂WO₃检测NO₂。③共沉淀法，乙醇等常见气体的检测。

金属氧化物是作为半导体来检测气体，具体分为n型和p型。这两个当中由于n型具有更高的载流电子移动性能，稳定性好，可以在低的氧化压下工作，所以n型更为适合(n型：ZnO、SnO₂、Fe₂O₃、WO₃)。氧化锌(ZnO)具有禁带能量宽(Eg:3.37eV)、激子结合能高(60mV)、选择性好、热稳定性和化学稳定性好、无毒等优点，在诸多气体传感中得到广泛应用。但将氧化锌应用到气敏材料中，由于工作温度过高，灵敏度较低，检测限较高而效果不佳。

发明内容

本发明的目的是提供一种锌铬水滑石基ZnO/ZnCr₂O₄复合氧化物的氨气气敏材料及其制备方法和应用。其检测氨气的机理为：气敏元件中的金属氧化物与空气中的氧气接触后，氧气会吸收金属氧化物中的离子，形成氧负离子层，由于氨气为还原性气体，气敏元件与氨气接触之后，氧负离子与氨气发生氧化还原反应而产生电子流动，进而电阻会发生变化，通过对元件电阻的检测，间接检测气敏的响应值。

本发明所述的水滑石基氨气气敏材料的制备方法为：首先采用双滴法制备锌铬水滑石前体；然后在空气气氛下焙烧得到水滑石基氨气气敏材料。

所述的焙烧温度为260-700℃，焙烧时间为1-5h，升温速率为3-10℃·min^-1。

所述双滴法制备锌铬水滑石前体的具体操作步骤为：在室温下，将硝酸锌和硝酸铬与去离子水配制混合盐溶液，其中锌离子与铬离子摩尔比为2-4:1；将氢氧化钠和碳酸钠与去离子水配制混合碱溶液；然后将混合盐溶液和混合碱溶液同时滴加混合，混合盐溶液的滴加速度为10-50mL·h^-1，控制混合液pH为8-9；滴加完成后在70-90℃下晶化12-30h；最后冷却至室温，去离子水洗涤至中性，干燥。

所述的水滑石基氨气气敏材料的尺寸为40-100nm。