[发明专利]用于甲烷检测的纳米传感材料及其制备方法、甲烷传感器

说明书

本发明属于纳米传感材料技术领域，具体为一种用于甲烷检测的纳米传感材料及其制备方法、甲烷传感器。本发明的纳米传感材料由金属氧化物半导体材料和单分散的贵金属纳米颗粒组成，结构式为贵金属/meso‑金属氧化物；金属氧化物半导体材料表面具有介孔，单分散的贵金属纳米颗粒负载于金属氧化物半导体材料表面及介孔孔道中，且当贵金属纳米颗粒为合金时，其形貌为核壳结构。本发明在介孔金属氧化物半导体合成过程中原位负载单分散的贵金属纳米颗粒，对甲烷具有高的响应值、选择性和较短的响应/恢复时间；材料合成过程成熟稳定，便于工业化生产；甲烷传感器测试浓度范围大，对甲烷的检出限达到亚ppm级别，且设备便携、操作简单。

技术领域

本发明属于纳米传感材料技术领域，具体涉及一种用于甲烷检测的纳米传感材料及其制备方法、甲烷传感器。

背景技术

甲烷是一种无色无味无毒的高热值气体，是一种常见的燃料气体；另一方面，甲烷易燃易爆，且是常见的温室气体。在现代安全、能源、天文、医学等研究中，甲烷检测均有大量应用。常见的气体检测手段主要通过金属氧化物半导体材料进行，通过材料在接触到气体后的电阻变化产生响应。例如，甲烷传感器接触到甲烷气体后，金属氧化物半导体传感材料氧化甲烷分子，产生电子转移，而影响阻值，从而产生响应来检测甲烷。

现有技术中，用于甲烷传感的材料很难兼具良好的响应值、选择性以及响应/恢复时间，由于甲烷分子较为稳定，当材料能够对甲烷产生较高响应值时，很难不对其它气体产生类似或更高的响应；并且甲烷传感通常所需的较高温度可能使得材料表面结构产生变化，使得恢复时间延长。另一方面，虽然贵金属可高效应用于甲烷等相对稳定气体的传感材料是普遍认可的共识，现有的甲烷传感材料中贵金属催化剂的分散度不够高，高温下易烧结团聚，降低了传感性能。同时，现有的甲烷传感材料缺少形貌，通常没有考虑甲烷分子本身在传感过程中的扩散运动，且多为固定式，无法便携化，限制了其在实际生产生活中的应用。

发明内容

为克服现有技术中存在的上述问题，本发明目的在于提供一种用于甲烷检测的纳米传感材料及其制备方法、甲烷传感器，所述用于甲烷检测的纳米传感材料对甲烷兼具良好响应值、选择性以及响应/恢复时间，且有一定形貌结构，所提供的甲烷传感器检测精度高，测试的浓度范围很大，且设备便携、操作简单，不用换算可直接实时读出浓度，可广泛应用于实际生产生活的各个方面。

第一方面，本发明提供一种用于甲烷检测的纳米传感材料，所述纳米传感材料由金属氧化物半导体材料和单分散的贵金属纳米颗粒组成，结构式表示为贵金属/meso-金属氧化物；其中，所述金属氧化物半导体材料表面具有介孔，所述单分散的贵金属纳米颗粒由单一贵金属元素组成或多种贵金属元素组成合金，并负载于所述金属氧化物半导体材料表面及介孔孔道中，且所述单分散的贵金属纳米颗粒为合金时，其形貌为核壳结构。

这里的金属氧化物半导体材料，作为用于甲烷检测的纳米传感材料的基底，为纳米传感材料提供形貌结构的基础，也是检测中的导电基底。所述金属氧化物半导体材料选自SnO₂、WO₃、In₂O₃中的一种或多种。所述金属氧化物半导体材料的介孔孔径介于10 nm至50nm之间，与甲烷分子的平均自由程相当，能够促进甲烷分子在其中发生努森扩散，使得甲烷分子不断与孔道内壁发生碰撞，提升材料的利用率和甲烷响应值。

所述单分散的贵金属纳米颗粒在所述用于甲烷检测的纳米传感材料中的含量为0.5wt.%至3wt.%，粒径为2-5 nm。

所述单分散的贵金属纳米颗粒选自Pd和/或Pt。当同时采用Pd和Pt时，两者构成合金，记作PdxPt，其中x代表钯和铂的摩尔量之比。所述PdxPt为核壳结构，内核为Pt而外壳为Pd或以Pd为主。所述单分散的贵金属纳米颗粒在纳米传感材料中起到活性位点作用，通过化学敏化效应，促进氧气分子在贵金属纳米颗粒周围发生解离吸附，进一步提升甲烷响应值。