[发明专利]基于酒精分子印迹机制设计高性能酒精气体传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及设计酒精气体传感器，具体为采用酒精分子印迹机制设计的具有超高灵敏度和快速响应、恢复速度的酒精气体传感器。

背景技术

传统设计酒精气体传感器的方法，通常是采用溶胶-凝胶合成法、水热合成法、模板法等获取纳米材料，然后简单地与粘合剂在水溶液中混合制膜，再涂抹在陶瓷管得到传感器而成；且传统的气体传感器设计着重强调纳米结构材料的合成，而忽略器件制作过程中纳米材料的有效制膜。而纳米材料的有效制膜同样会对纳米材料的结构产生影响，从而对传感器器件的传感性能产生影响。

发明内容

本发明的目的是基于酒精分子的印迹特性，提供一种灵敏度高，响应速度快、恢复速度快的高性能酒精气体传感器及其制备方法。其所设计的传感器用于酒精气体的快速高效检测。

为实现本发明目的采用的技术方案是：

一种基于酒精分子印迹机制设计的酒精气体传感器，由陶瓷管和均匀、致密分布在陶瓷管表面的具有网络结构的SnO₂膜层组成，所述SnO₂膜层中纳米SnO₂的粒径为9±2纳米，BJH孔径分布集中，孔径的平均尺寸为4.3±0.1nm。

按上述方案，所述酒精气体传感器探测酒精气体浓度为4ppm～100ppm范围，响应时间为6±2秒，恢复时间为22±3秒。

上述基于酒精分子印迹机制设计的酒精气体传感器的制备方法包括：

(1)将二水氯化亚锡(SnCl₂·2H₂O)加入水和酒精的混合溶液中，搅拌，在所得的白色悬浮物中加入盐酸，充分搅拌直到溶液变清澈；然后把所得到的溶液放在水热反应釜中密封加热到100-140℃，保持20-24小时，自然冷却，离心处理收集黄色的沉淀物；把该沉淀物水洗，烘干，在空气中300-350℃煅烧2-3小时，最后得到白色的具有网络结构的中等孔径SnO₂纳米材料；

(2)将步骤(1)制备得到的SnO₂纳米材料加酒精混合成浆糊状，然后在陶瓷管上均匀涂膜，干燥，制得传感器。

按上述方案，所述步骤(1)中水和酒精的体积比为3-2：1。

按上述方案，步骤(1)所述的具有网络结构的中等孔径SnO₂纳米材料，SnO₂粒径均匀，粒径为9±2纳米，BJH孔径分布集中，孔径的平均尺寸为5.1±0.1nm。

按上述方案，步骤(1)所述的盐酸为38wt％的盐酸。

按上述方案，所述步骤(2)中SnO₂纳米材料和酒精的重量比为1.5-3：1。

按上述方案，所述步骤(2)中的涂膜厚度为90-110μm。

本发明在制作酒精气体传感器时，充分考虑到酒精分子的印迹特性，通过在材料获取阶段和器件制作过程中，引入酒精参与化学物理反应，基于酒精分子或酒精/水团簇的挥发特性，可获得适合酒精分子吸附和脱附的最佳结构，从而可很大程度上提高酒精气体传感器的传感性能。本发明基于酒精分子的印迹机制，设计超高性能的酒精气体传感器的方法在国内外该领域属于首次实践。

该酒精气体传感器的工作原理是：空气中的氧气吸附在传感器表面上形成氧吸附质(O^2-、O₂^-或O^-)，形成电子耗尽层，导致传感器电导率降低，传感器的电阻升高；当带有氧吸附质的传感器与酒精接触后，由于所设计传感器良好的吸附特性，酒精分子能够充分与氧吸附质反应，使耗尽层的电子重新被还原，再次注入到SnO₂，从而提高传感器的电导率，传感器的电阻明显降低。

本发明的关键是，在材料合成的阶段，引入酒精与反应物产生物理化学反应，可保证纳米颗粒的形成，获得良好的氧化锡网络纳米结构，实现氧化锡纳米材料合成阶段的结构的有效控制，进而为高性能酒精传感器的获得提供前提；在此基础之上，器件设计过程中，所获取的材料与酒精混合后制膜，可进一步稳定和优化纳米材料的网络结构，同时酒精的引入可使传感器具有适合酒精吸附和脱附的最佳结构，而综合达到保障传感器高性能传感目的。

本发明与现有相关技术相比有如下优点和积极效果：

1、基于酒精分子的印迹机制设计的酒精气体传感器，具有适合酒精吸附和脱附的最佳结构，保障了传感器优异的工作性能。