[发明专利]基于功能化SBA-15的质量型甲醛传感器的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于胺基功能化介孔材料SBA-15的石英晶体微天平(QCM)甲醛传感器的制备方法，属敏感材料及气体传感器技术领域。 

技术背景

科技进步和社会发展的同时，各种新材料、新技术的应用，也给人们的健康带来了危害，研究表明，许多突发性疾病都是人们的生活环境受到有害气体的污染而产生的。因此室内空气质量问题已成为全球关注的热点。室内空气污染物主要包括甲醛(HCHO)、苯系物、总挥发性有机物的检测等。改善室内空气质量的首要前提是对室内空气污染物的检测，而实现对室内空气污染物如甲醛、苯系物等的实时、准确的现场检测和识别是控制室内空气质量的两个关键技术。因此开发能适时检测各种有害气体的传感器，受到了各个国家的重视。传统的SnO₂等金属氧化物半导体气体传感器对这些气体的低浓度检测显得不尽人意，人们在通过各种掺杂技术提高传统传感器的敏感性和选择性的同时，也极力探索新型气体传感器及其敏感材料来解决室内空气污染的监测问题。QCM作为一种相对廉价、灵敏的气体传感器，已广泛应用于气相测定，包括在线检测大气与环境污染物等。气体的QCM检测研究主要倾向于用有机化合物和生物成分修饰晶体表面，这样可使QCM结合某种特定的气态底物，从而提高检测灵敏度和选择性。因此QCM气体传感器越来越受到科研人员的重视，具有很大发展潜力和重要的应用价值，但在实现对甲醛、VOCs等有害气体的低浓度检测上目前QCM发展的重点仍是寻找新涂层敏感材料以及增强涂层选择性。纳米材料作为传感器功能材料，正引起国内外科学家的极大关注。与一般纳米材料不同，介孔材料不仅能和原子、离子和分子在材料的表面发生作用，而且这种作用还能贯穿于整个材料体相内的微观空间。有机功能化的介孔材料更是因其可以对目标分子进行选择性的识别在生物化学和电子学等领域有广泛的应用前景。基于上述思想，首次把功能化的介孔材料SBA-15作为QCM质量型传感器的敏感材料，构建性能优良的室内空气污染物甲醛传感器。不仅克服了上述半导体气体传感器的缺点，同时也为QCM找到了一种很好的甲醛敏感材料，更为功能化介孔材料开辟了一种新的应用领域。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于胺基功能化SBA-15的石英晶体微天平甲醛传感器的制备方法。本发明的另一目的是提供一种具有优越敏感性能的甲醛敏感材料。 

本发明是一种基于胺基功能化SBA-15的石英晶体微天平甲醛传感器的制备方法，其特征在于具有以下的工艺过程和步骤： 

a.胺基功能化SBA-15的制备方法：称取0.1～0.9g不同孔径的有序介孔材料SBA-15在80～140℃下煅烧活化1～6小时，将1.2～3.2mL的硅烷化试剂(β-羧基乙烷基三甲氧基硅烷)加入到4～50mL的甲苯有机溶剂中，充分混合，在回流状态下匀速搅拌8～24h，而后用甲苯溶剂反复洗涤，过滤、干燥后，将得到的产物冷却至室温后即得到孔径为2～50nm的胺基功能化的SBA-15。 

b.石英晶体微天平甲醛传感器的制备：将上述制得的孔径为2～50nm的胺基功能化的SBA-15在一定的介质中超声分散20～50分钟，得涂覆液；所用的介质为水、丙酮或乙醇的任一种；然后将涂覆液均匀涂覆在经过清洗的石英晶体微天平的电极表面，并在80～120℃烘干3～8小时，即得到所述的石英晶体微天平甲醛传感器。 

本发明采用的胺基功能化SBA-15作为甲醛敏感材料的机理如下所述： 

(1)化学吸附脱附：介孔二氧化硅SBA-15孔壁上含有丰富的表面硅羟基，而硅羟基经胺基功能化以后其易与甲醛分子发生可逆的亲核加成反应，而产生质量变化，从而引起QCM的频率变化。 

(2)物理吸附脱附：功能化的有序介孔材料具有大的比表面积(一般在500m²/g)、高的孔隙率，也可以通过对空气中甲醛分子的吸附脱附而产生质量变化。 

本发明方法制得的石英晶体微天平甲醛传感器的优点和特点如下所述： 

(1)本发明以胺基功能化SBA-15作为甲醛的敏感材料，其孔径均一且可调、比表面积大(一般在500m²/g以上)、孔隙率高、且由于孔壁上含有丰富的胺基功能团，易与甲醛分子发生可逆的亲核加成反应，大大增加了甲醛传感器的灵敏度和选择性。同时胺基功能化的SBA-15(其主要成分是二氧化硅无生理毒性)作为甲醛的敏感材料其用量很少，比起市场化的甲醛敏感材料更为经济、更有利于环保。