[发明专利]常温甲烷传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米传感器及其制备方法，具体涉及一种常温甲烷传感器及其制备方法。

背景技术

随着能源短缺和环境污染问题的日益严重,天然气和页岩气以其储量丰富、热效率高、低污染等特点而被认为是比较理想的清洁和替代能源。甲烷是其主要成分,具有易燃易爆性和温室效应,其温室效应是等效体积CO₂的数十倍,对其进行监测和处理是必要和急迫的。

目前国内外的甲烷传感器主要有催化燃烧式、金属氧化物半导体和红外传感器等几种。2013年香港大学的J. Yu等（Sensors and Actuators B 184 (2013) 118– 129）利用钨酸铌纳米棒肖特基二极管来检测甲烷，该方法在室温和高温下都可以获得较大的响应，这种检验方法可在爆炸限下对甲烷进行检测。但使用材料价格昂贵，难以实时检测。2013年中国第二军医大学下属长海医院Jiacan Su等人（Nanoscale, 2013, 5, 9720–9725）将两种传统催化剂体系负载于介孔氧化铑-氧化铝材料中来测试甲烷。该材料具有介孔结构及更大的比表面积，同时，该材料对甲烷燃烧反应有高的催化活性和抗中毒能力。使用MEMS（微机电系统）传感器，该传感器响应时间短，有相对较高的信号输出，可以实现现场检测。但这种方法所用传感器件的稳定性较差，制备工艺复杂。

综上所述，半导体和催化燃烧式甲烷传感器工作温度较高，稳定性较差。红外传感器成本高。

发明内容

本发明的目的之一在于克服现有技术中存在的问题，提供一种常温甲烷传感器。该传感器具有灵敏度高、选择性和稳定性好等特点。

本发明的目的之二在于提供该传感器的制备方法。

单一介孔氧化硅作为甲烷敏感材料存在着选择性差、灵敏度低和噪声大的问题，有必要将介孔氧化硅与其他材料相复合，制备出复合材料，充分发挥复合材料的优点，实现材料功能一体化，将大大提高传感器的传感性能。由于氧化铈强大的透氧能力和贵金属的催化性能，以及制备工艺简单、易于与其他技术兼容等特点，贵金属/氧化铈复合物作为优异的甲烷催化剂在甲烷催化氧化方面显示出较好的应用前景。本发明将介孔氧化硅与贵金属/氧化铈复合物相结合，制备出一种常温甲烷气体传感器，充分发挥了两种材料性能的优点，对常温甲烷传感器的开发及其在能源和安全领域的应用具有非常重要的意义。

根据上述机理，本发明采用如下技术方案：

一种常温甲烷传感器，其特征在于该传感器是在石英晶体微天平电极表面覆盖有贵金属/氧化铈/介孔氧化硅复合材料膜，该膜的厚度为：1415 ng至5400 ng复合材料；所述的贵金属/氧化铈/介孔氧化硅复合材料是以介孔氧化硅为载体，负载有贵金属和氧化铈复合物，其中贵金属、氧化铈与介孔氧化硅的质量比为：0.053:0.949:(1～10)。

上述的贵金属为：钯，铂，铑，金。

上述石英晶体微天平的电极中的石英为AT切型，即与石英晶体主光轴成35°15'切割，它的两个对应面上涂敷银或金）层作为电极，石英晶体夹在两片电极中间形成三明治结构，石英晶体微天平的频率范围为5~10 MHz。

一种制备上述的常温甲烷传感器的方法，其特征在于该方法的具体步骤为：

a.         将贵金属盐溶于水中，加入正辛基溴化铵（TOABr），二氯甲烷萃取，弃去水相；在油相中加入硼氢化钠（NaBH₄）的甲醇溶液和巯基十一烷酸，反应30分钟，得到黑色固体，过滤、洗涤，将固体溶于酸化四氢呋喃中，得到贵金属前驱体；所述的贵金属、正辛基溴化铵、硼氢化钠和巯基十一烷酸的质量比为：（5～30）:65:30:9；

b.        将硝酸铈铵和1-癸醇按1:4的摩尔比溶于甲醇溶液中，加入催化剂用量的甲醇钠的甲醇溶液，搅拌反应4 h，旋蒸，抽滤，得到氧化铈前驱体，将该氧化铈前驱体溶于四氢呋喃中；

c.         将步骤a所得贵金属前驱体、步骤b所得氧化铈前驱体和月桂酸按5:2的质量比溶于四氢呋喃中，得到贵金属/氧化铈复合物；

d.        将步骤c所得贵金属/氧化铈复合物和介孔二氧化硅按1：（1～10）的质量比分散于四氢呋喃溶液中50 ℃~60 ℃反应12 h，抽滤，洗涤，即得到贵金属/氧化铈/介孔氧化硅复合材料；