甲苯、二甲苯氣敏材料及其制備以及甲苯、二甲苯氣敏器件的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種甲苯、二甲苯氣敏材料及其制備以及氣敏器件的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]甲苯主要由原油經(jīng)石油化工過程而制得，作為溶劑可用于油類、樹脂、天然橡膠和合成橡膠、煤焦油、瀝青、醋酸纖維素，也可用于纖維素油漆和清漆，以及用作照像制版和墨水的溶劑。甲苯也是有機合成特別是氯化苯酰和苯基、糖精、三硝基甲苯及許多染料等合成的主要原料。它也是航空和汽車汽油的一種組分。甲苯具有揮發(fā)性，在環(huán)境中不易發(fā)生反應(yīng)，其廣泛分布于環(huán)境中，并且通過雨和水表面的蒸發(fā)使其在空氣和水體之間不斷地再循環(huán)，最終可能因生物和微生物的氧化而被降解。對世界上很多城市空氣中的平均濃度進行匯總，結(jié)果表明甲苯濃度通常為112.5-150 μ g/m3，這主要來自與汽油有關(guān)的排放(汽車廢氣、汽油加工)，也來自于工業(yè)活動所造成的溶劑損失和排放。二甲苯主要由石油化工制造過程中產(chǎn)生，它廣泛用作顏料、油漆等的稀釋劑，印刷、橡膠、皮革工業(yè)的溶劑，用作清潔劑和去油污劑以及航空燃料的一種成分，化工廠和合成纖維工業(yè)的原材料和中間物質(zhì)，以及織物、紙張的涂料和浸漬料。
[0003]甲苯和二甲苯對皮膚、粘膜有刺激性，對中樞神經(jīng)系統(tǒng)有麻醉作用，短時間內(nèi)吸入較高濃度可出現(xiàn)眼及上呼吸道明顯的刺激癥狀、眼結(jié)膜及咽部充血、頭暈、頭痛、惡心、嘔吐、胸悶、四肢無力、步態(tài)蹣跚、意識模糊，重癥者可出現(xiàn)躁動、抽搐、昏迷癥狀，長期接觸可發(fā)生神經(jīng)衰弱綜合征，肝腫大，女性月經(jīng)異常等，引起皮膚干燥、皸裂、皮炎，而且對環(huán)境有嚴重危害，造成空氣、水環(huán)境及水源污染。
[0004]金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器(M0S)是一個寬帶檢測裝置，既可以用于檢測ppm級的有毒氣體也可以用于檢測百分比濃度高的易燃易爆氣體。在清潔空氣中，它的電導(dǎo)很高，而遇到還原性氣體，比如一氧化碳或可燃性氣體，傳感器件的電導(dǎo)會降低。如果控制傳感器件的溫度，可以對不同的物質(zhì)有一定的選擇性。
[0005]現(xiàn)今甲苯、二甲苯氣敏傳感器在國內(nèi)正處于探索、研究階段，尚未形成商業(yè)化。近年來多起化工廠和煉油廠二甲苯爆炸事件的發(fā)生引起了人們對這類有毒有害、易燃易爆氣體的關(guān)注，由此可見對甲苯、二甲苯這類有毒有害氣體的檢測和監(jiān)控在現(xiàn)實生活中變得越來越重要了，特別是在目前經(jīng)濟和工業(yè)迅速發(fā)展的時代。因此研究一種簡易便攜、快速準確、靈敏性能好、經(jīng)濟實用的甲苯、二甲苯氣敏傳感器必定會有非常大的市場前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，提供一種靈敏度高、能有效監(jiān)測甲苯、二甲苯的氣敏材料及其制備方法。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是:
[0008]提供一種甲苯、二甲苯氣敏材料，其包括有:
[0009]I )基質(zhì)分層花狀ZnO納米粉體；
[0010]II ) Rh203，其摻入量為基質(zhì)分層花狀ZnO納米粉體質(zhì)量的0.1_5%。
[0011]按上述方案，所述分層花狀ZnO納米粉體以六方纖鋅礦型ZnO為主，粒徑為10-100nm。
[0012]本發(fā)明提供上述甲苯、二甲苯氣敏材料的制備方法，其步驟如下:稱取鋅的可溶鹽與可溶性含Rh化合物，溶于去離子水中得到溶液，溶液中還加入六甲基四胺，或滴加氨水溶液調(diào)節(jié)溶液pH值大于9，混合均勻后將溶液置于水熱反應(yīng)釜中于90-200°C反應(yīng)4-12h，將產(chǎn)物分離，隨后洗滌、烘干、研磨后置于馬弗爐中于400-700°C燒結(jié)0.l_2h，隨爐自然冷卻后得到甲苯、二甲苯氣敏材料，其中Rh203質(zhì)量為ZnO質(zhì)量的0.1-5%。
[0013]按上述方案，所述鋅的可溶鹽為硝酸鋅、醋酸鋅、氯化鋅或硫酸鋅。
[0014]按上述方案，所述可溶性含Rh化合物為RhCl3.3H20、Na2RhCl6.12H20、(NH4)3RhCl6.H20、K3RhCl6.H20 或者 Rh(CH2C00)3。
[0015]按上述方案，所述溶液中鋅的可溶鹽的濃度為0.05-3mol/Lo
[0016]按上述方案，所述六甲基四胺摩爾量為鋅的可溶鹽摩爾量的1-20倍。
[0017]本發(fā)明還提供甲苯、二甲苯氣敏器件的制備方法，其包括以下步驟:
[0018]1)稱取鋅的可溶鹽與可溶性含Rh化合物，溶于去離子水中得到溶液，溶液中還加入六甲基四胺，或滴加氨水溶液調(diào)節(jié)溶液pH值大于9，混合均勻后將溶液置于水熱反應(yīng)釜中于90-200°C反應(yīng)4-10h，將產(chǎn)物分離，隨后洗滌、烘干、研磨后置于馬弗爐中于400-700°C燒結(jié)0.l_2h，隨爐自然冷卻后得到甲苯、二甲苯氣敏材料，其中Rh203質(zhì)量為ZnO質(zhì)量的0.1-5% ；
[0019]2)將步驟1)所得甲苯、二甲苯氣敏材料以適量無水乙醇及聚乙二醇調(diào)成糊狀，然后將其均勻涂敷在電極管表面，自然風(fēng)干后經(jīng)400-700°C退火處理0.1-2小時，即制得甲苯、二甲苯氣敏器件的核心部分:氣敏電極管，最后按照旁熱式結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)工藝對氣敏電極管進行焊接、電老化、封裝，制得甲苯、二甲苯氣敏器件。
[0020]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明提供的氣敏材料對甲苯、二甲苯靈敏度高，檢測范圍寬，檢測下限低至lOppm，同時具有價格低廉、反應(yīng)快、靈敏度高、現(xiàn)場檢測、使用方便、選擇性好等優(yōu)點，可以有效避免乙醇等有機氣體的干擾，響應(yīng)時間短，符合高性能氣敏器件的要求。
[0021]由本發(fā)明的甲苯、二甲苯氣敏材料制得的氣敏器件的主要技術(shù)指標(biāo)如下:
[0022]1)器件檢測范圍:10-10000ppm(氣體體積分數(shù):lppm = 1X10 6)；
[0023]2)器件工作溫度:150-350 °C ；
[0024]3)檢測靈敏度:5-200 ；
[0025]4)器件反應(yīng)時間:小于60s ；
[0026]5)器件恢復(fù)時間:小于60s。
【具體實施方式】
[0027]為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述，但實施例不會構(gòu)成對本發(fā)明的限制。
[0028]實施例1
[0029]制備甲苯、二甲苯氣敏器件，步驟如下:
[0030]1)稱取3.65gZn(N03)2.6H20和1.72gHMT(六甲基四胺)一起溶于60mL去離子水中，磁力攪拌30min，當(dāng)攪拌lOmin時加入0.02gRhCl3.3Η20，攪拌后裝入水熱反應(yīng)爸中于180°C反應(yīng)6小時，待自然冷卻后取出進行抽濾，用去離子水和乙醇各洗滌產(chǎn)物3次，然后收集粉體置于80°C干燥箱中烘10小時，隨后研磨并放入馬弗爐中于600°C燒結(jié)15min，冷卻后即得到銠摻雜氧化鋅納米材料，即甲苯、二甲苯氣敏材料(氣敏材料中Rh203質(zhì)量為ZnO質(zhì)量的1% );
[0031]2)將上述制備的甲苯、二甲苯氣敏材料以無水乙醇及少量聚乙二醇調(diào)成糊狀，均勻涂敷在氧化鋁陶瓷管表面，自然風(fēng)干后經(jīng)500°C退火處理0.5小時，即制得甲苯、二甲苯氣敏器件的核心部分:氣敏電極管，最后按旁熱式結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)工藝對氣敏電極管進行焊接、電老化、封裝，制得甲苯、二甲苯氣敏器件。
[0032]將制備的甲苯、二甲苯氣敏器件采用鄭州煒盛電子科技有限公司生產(chǎn)的氣敏元件測試系統(tǒng)WS-30A儀器進行氣敏性能測試，測試方法為靜態(tài)配氣法，測得:當(dāng)工作溫度為300 °C時，對1 OOppm甲苯、二甲苯的靈敏度分別達到54.36、71.85，對1 OOppm甲苯、二甲苯的響應(yīng)時間分別為10s、8s，對lOOpprn甲苯、二甲苯的恢復(fù)時間分別為18s、15s，對甲苯、二甲苯表現(xiàn)出非常好的靈敏性能。
[0033]實施例2
[0034]制備甲苯、二甲苯氣敏器件，步驟如下:
[0035]1)稱取3.65KgZn(N03)2.6Η20和1.0KgHMT —起溶于6L去離子水中，磁力攪拌lh，當(dāng)攪拌lOmin時加入4gRhCl3.3Η20，攪拌后裝入水熱反應(yīng)釜中于180°C反應(yīng)6小時，待自然冷卻后取出進行抽濾，用去離子水和乙醇各洗滌產(chǎn)物3次，然后收集粉體置于80°C干燥箱中烘10小時，隨后研磨并放入馬弗爐中于600°C燒結(jié)0.5h，冷卻后即得到銠摻雜氧化鋅納米材料，即甲苯、二甲苯氣敏材料(氣敏材料中Rh203質(zhì)量為ZnO質(zhì)量的0.2% )；
[0036]2)將上述制備的甲苯、二甲苯氣敏材料以無水乙醇及少量聚乙二醇調(diào)成糊狀，均勻涂敷在氧化鋁陶瓷管表面，自然風(fēng)干后經(jīng)400°C退火處理1小時，即制得甲苯、二甲苯氣敏器件的核心部分:氣敏電極管，最后按旁熱式結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)工藝對氣敏電極管進行焊接、電老