/ZnO納米復(fù)合纖維材料的制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種同軸異質(zhì)結(jié)構(gòu)的Sn02/Zn0納米復(fù)合纖維材料的制備方法和應(yīng)用，屬于金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器材料制備工藝技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]二氧化錫是研究最早的半導(dǎo)體氣體傳感器材料之一。因其具有較高的電導(dǎo)率，晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，成本低廉以及廣泛適用性等優(yōu)點(diǎn)，使其在半導(dǎo)體氣體傳感器領(lǐng)域一直是研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。但是，單一的金屬氧化物半導(dǎo)體材料由于其性能的缺陷，往往不能滿足多種應(yīng)用領(lǐng)域的要求。
[0003]半導(dǎo)體氣敏材料的敏感性不僅依賴于材料的組成，材料本身的結(jié)構(gòu)、形貌對(duì)性能也會(huì)造成很大影響。中國(guó)專利CN 101144789A雖然公開(kāi)了一種靈敏度高的氣敏元件，溶膠凝膠法得到納米級(jí)粉末Sn02/Zn0，由于納米級(jí)粉末比表面積大，易團(tuán)聚，分散性不好，導(dǎo)致氣敏性很難達(dá)到要求。安徽師范大學(xué)的谷翠萍以氯化銅、二水合氯化亞錫、硫脲、乙二醇為原料，制出銅錫硫，經(jīng)煅燒、酸洗后得到一種多孔花狀二氧化錫材料，對(duì)甲苯、甲醛等氣體有較高的敏感性能，而對(duì)10ppm丙酮的響應(yīng)靈敏度不足6.5?，F(xiàn)有的半導(dǎo)體氣敏材料制備方法普遍較為復(fù)雜，對(duì)于制作條件要求苛刻，且原料成本高，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。如何在半導(dǎo)體氣敏材料制備過(guò)程中摻雜不同元素，合成具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料以獲取互助的氣敏性能仍是本領(lǐng)域目前的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種同軸異質(zhì)結(jié)構(gòu)的Sn02/Zn0納米復(fù)合纖維材料的制備方法。用該方法得到的復(fù)合纖維材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，氣敏性能優(yōu)異，能夠在制備氣敏元件中廣泛應(yīng)用，且該材料制備的旁熱式氣體傳感器對(duì)甲醛表現(xiàn)出更好、更靈敏的感應(yīng)性會(huì)K。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思是:設(shè)計(jì)一種具有新型結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合纖維材料，通過(guò)原料合理配比，利用靜電紡絲法和恒溫水浴兩步法，在中空多級(jí)結(jié)構(gòu)的SnO2納米纖維上均勻生長(zhǎng)ZnO納米球粒，獲得了中空的同軸異質(zhì)結(jié)構(gòu)的Sn02/ZnO納米復(fù)合纖維材料。
[0006]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種同軸異質(zhì)結(jié)構(gòu)的Sn02/Zn0納米復(fù)合纖維材料的制備方法，包括下述工藝步驟:
[0007]①以PVP為有機(jī)溶劑，將SnCl2.2出0、乙醇和DMF充分混合制成Sn鹽的紡絲前驅(qū)液，采用靜電紡絲法得到中間產(chǎn)物，經(jīng)600°C高溫含氧煅燒，得到中空多級(jí)結(jié)構(gòu)的SnO2納米纖維；
[0008]其中，SnCl2.2H2O與PVP的質(zhì)量比為(0.5?1.1):(0.8?1.5)
[0009]乙醇與SnCl2.2出0的比為(0.8?2)1111:(100?200)11^;01^和乙醇的體積比為(0.5?0.8):1；
[0010]為達(dá)到最佳的實(shí)驗(yàn)效果，所述的靜電紡絲的工藝參數(shù)為:紡絲電壓為24KV、溫度22°C，濕度為40RH;
[0011]本發(fā)明所述高溫含氧煅燒指在具有氧氣存在的氣氛中高溫煅燒，如在空氣煅燒，優(yōu)選其在敞口馬弗爐中進(jìn)行。
[0012]②將SnO2納米纖維調(diào)成糊狀，涂抹于玻璃器皿上，厚度為0.1?0.5mm，于200?250°C干燥箱干燥I?1.5小時(shí)，將0.02?0.06mol/L的乙酸鋅水溶液均勻滴在SnO2納米纖維表面上，置于200?250 °C干燥箱內(nèi)干燥30?40分鐘；把干燥好的玻璃器皿放在0.02?0.06mo VL的乙酸鋅的乙醇溶液中，在80?90°C的恒溫水浴中加熱2?4小時(shí)得產(chǎn)物I，將產(chǎn)物I與玻璃器皿分離，在40?60 °C下干燥2?4小時(shí)，得到中空的同軸異質(zhì)結(jié)構(gòu)的Sn02/Zn0的復(fù)合納米材料。步驟②中所述的玻璃器皿根據(jù)實(shí)驗(yàn)規(guī)模的不同，可以采取不同的容器如玻璃片、載玻片或表面皿等。
[0013]優(yōu)選的，步驟②所述的涂抹是在凝膠機(jī)上以2400HZ旋涂于玻璃器皿上。
[00? 4]本發(fā)明還請(qǐng)求保護(hù)有上述方法制備的同軸異質(zhì)結(jié)構(gòu)的Sn02/ZnO納米復(fù)合纖維材料。
[0015]本發(fā)明另一個(gè)目的是請(qǐng)求保護(hù)由上述方法制備的同軸異質(zhì)結(jié)構(gòu)的Sn02/Zn0納米復(fù)合纖維材料在制備氣敏元件中的應(yīng)用，優(yōu)選在甲醛氣敏元件中的應(yīng)用，利用該材料制備的旁熱式氣體傳感器對(duì)甲醛表現(xiàn)出更好、更靈敏的感應(yīng)性能。
[00?6 ]本發(fā)明所得同軸異質(zhì)結(jié)構(gòu)的Sn02/Zn0復(fù)合納米材料是一種在中空多級(jí)結(jié)構(gòu)的Sn〇2納米纖維上均勾生長(zhǎng)了粒徑為200?400nm的ZnO納米球粒。Sn02納米纖維壁厚約為15-20nm，纖維壁由粒徑5?20nm的Sn02納米顆粒排列組成，在Sn02納米纖維表面生長(zhǎng)的ZnO納米球，其納米球粒徑約為200?40nm，形成同軸的多級(jí)中空的Sn02與ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:通過(guò)合理的配比將SnO2和ZnO進(jìn)行復(fù)合，使SnO2和ZnO取長(zhǎng)補(bǔ)短，發(fā)揮協(xié)同作用，克服了單一金屬氧化物在氣體傳感器領(lǐng)域應(yīng)用受限的缺陷。采用靜電紡絲法和恒溫水浴法兩步法獲得形貌新穎、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定具有同軸異質(zhì)結(jié)構(gòu)的Sn02/Zn0納米復(fù)合纖維材料，本發(fā)明納米復(fù)合纖維材料制備工藝簡(jiǎn)單，原料廉價(jià)易得，適合大規(guī)模生產(chǎn)。同時(shí)，本發(fā)明制備的同軸異質(zhì)結(jié)構(gòu)的Sn02/Zn0納米復(fù)合纖維材料可在氣敏元件中得到廣泛應(yīng)用，特別是使用該材料制備的旁熱式氣體傳感器表現(xiàn)出對(duì)甲醛更好，更靈敏的感應(yīng)性能。
【附圖說(shuō)明】
[0018]本發(fā)明附圖共6幅。
[0019]圖1為Sn02、Zn0和Sn02/Zn0納米復(fù)合纖維材料的X射線衍射圖；
[0020]其中:a、Sn02，b、Zn0，c、Sn02/Zn0納米復(fù)合纖維材料；
[0021]圖2是靜電紡絲法制備的中空多級(jí)結(jié)構(gòu)的SnO2納米纖維微觀結(jié)構(gòu)的場(chǎng)發(fā)射電鏡掃描圖(放大3萬(wàn)倍)；
[0022]圖3是本發(fā)明制備的同軸異質(zhì)結(jié)構(gòu)的Sn02/Zn0納米復(fù)合纖維材料微觀結(jié)構(gòu)的場(chǎng)發(fā)射電鏡掃描圖(放大3.5萬(wàn)倍)；
[0023]圖4是本發(fā)明制備的同軸異質(zhì)結(jié)構(gòu)的Sn02/Zn0納米復(fù)合纖維材料微觀結(jié)構(gòu)的場(chǎng)發(fā)射電鏡掃描圖(放大5萬(wàn)倍)；
[0024]圖5是采用本發(fā)明Sn02/Zn0納米復(fù)合纖維材料制備的傳感器在350°C響應(yīng)靈敏度隨甲醛濃度變化的曲線圖；其中，甲醛濃度范圍為0.l-500ppm;
[0025]圖6是采用本發(fā)明Sn02/Zn0納米復(fù)合纖維材料制備的傳感器在350°C對(duì)甲醛及五種干擾氣體苯、甲苯、甲醇、丙酮和氨氣的響應(yīng)靈敏度的對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下述非限制性實(shí)施例可以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。下述實(shí)施例中如無(wú)特殊說(shuō)明，所采用的實(shí)驗(yàn)方法均為常規(guī)方法，所用材料、試劑等均可從生物或化學(xué)公司購(gòu)買。
[0027]實(shí)施例1
[OO28 ]兩步法制備同軸異質(zhì)結(jié)構(gòu)的Sn02/ZnO納米復(fù)合材料
[0029]—種同軸異質(zhì)結(jié)構(gòu)的Sn02/Zn0復(fù)合納米纖維材料的制備方法，包括下述工藝步驟:
[°03°] ①稱取0.5g SnCl2.2H2O溶于4ml無(wú)水乙醇，磁力攪拌至完全溶解，溶液呈無(wú)色透明狀，稱取0.8g PVP和2ml DMF，將其溶于SnCl2的乙醇溶液中，磁力攪拌8h后，形成無(wú)色透明粘稠狀紡絲前驅(qū)液。將制備好的SnO2紡絲前驅(qū)液注入接有7號(hào)針頭的1ml玻璃針管，接入靜電紡絲裝置。靜電紡絲裝置主要由三部分裝置構(gòu)成，高壓電源，帶噴頭的容器和接收裝置三部分組成。帶噴頭的容器由接有7號(hào)針頭的1ml玻璃針管構(gòu)成，噴頭與接收裝置分別接高壓電源的正負(fù)兩極，在高壓電源的作用下，在噴頭與接收裝置間形成高壓靜電場(chǎng)。在紡絲過(guò)程中，玻璃針管里的紡絲前驅(qū)液在高壓靜電場(chǎng)的作用下，噴