[发明专利]一种室温下对氧敏感的镧-二氧化锡纳米中空多孔膜

说明书

本发明提供了一种可用于室温检测O₂的La‑SnO₂传感器膜的制备方法，属于气敏传感器技术领域。我们将二水氯化亚锡与氯化镧混合，通过碳模板法制备了La‑SnO₂材料，再通过丝网印刷法制备成膜，在紫外光激发下，该样品在室温下对250ppm O₂的响应值达到2.25，响应/恢复时间分别为161/1003秒。除此之外，该La‑SnO₂传感器膜还可室温检测大范围浓度的O₂(100‑7000ppm)，且对O₂具有较高的选择性。此传感器膜制备方法简单，原料成本低，材料膜性能优异，可重复性好，具有很好的应用价值和前景。

技术领域

本发明属于气敏传感器技术领域，具体涉及一种镧-二氧化锡(La-SnO₂)纳米中空多孔膜的制备及其对氧气的气敏性能研究。

背景技术

近年来，灵敏度高、响应迅速的氧传感器在各行各业都有着极大的需求。例如，在工业领域，氧传感器被广泛应用于加热炉、油田开采、矿井监测，以防止气体中毒。在交通领域，氧传感器常被用于汽车引擎，来控制空燃比以改善引擎效率。在医疗领域，氧传感器常辅助医用呼吸机使用来治疗肺病以及欠氧报警等。除此之外，氧传感器还被广泛用于食品处理、垃圾分类管理等行业。因此，研制性能优异的氧传感器很有必要。

当前，检测O₂的手段主要包括电化学法、光纤法。但是，这类传感器结构复杂，价格昂贵，而且很难降低尺寸。由于金属氧化物半导体(MOS)的电阻(电导)强烈依赖于大气中的氧分压，因此理论上大部分金属氧化物都适用于氧的检测。二氧化锡(SnO₂)是一种非常具有代表性的MOS，由于来源广泛、制备简单、性能优异等，SnO₂常用于气体检测，尤其是对氧气的检测。Galatsis等人采用机械化学和旋涂工艺制备了SnO₂薄膜传感器，400℃下其对1000ppm O₂的响应值为5.1(Sens.Actuators B,2001,77,491)。Tiburcio-Silver等人通过喷雾热解法制备了Ga-SnO₂薄膜传感器，该传感器在350℃下对133.3Pa氧分压的灵敏值为2.1(Mater.Sci.Eng.B,2004,110,268)。Choi等人用静电纺丝和原子层沉积法合成了SnO₂-ZnO核壳纤维结构，300℃下传感器对70-2000ppm O₂的响应值为1.2-4.2(Nanotechnology,2009,20,20135)。但是，这些氧传感器都需要在高温下使用，而高温探测会加速设备老化，使传感器稳定性下降且增加能耗等。而且，在一些领域如食品加工和垃圾处理厂，有时需要在低温下监测氧。遗憾的是，对于SnO₂这种电导强烈地依赖于温度的材料而言，低温探测不可避免地会降低灵敏度，延长响应恢复时间。因此，开发性能优异且能在室温或接近室温下使用的氧传感器意义重大。Ahmed等人通过微波炉水热法制备了纯氧化锌和锰-氧化锌(Mn-ZnO)纳米棒，并比较了这两种材料在室温下对低浓度O₂的响应，结果发现Mn-ZnO传感器对O₂的响应明显优于纯ZnO，原因是Mn-ZnO纳米棒比表面更高，从而能吸附更多的氧(Curr.Appl.Phys.,2013,13,S64)。遗憾的是，对氧浓度大于15ppm的情况，作者并没有给予报道。Hu等人采用高能球磨法制备了可在近室温(40℃)下使用的钛酸锶(SrTiO₃)氧传感器，但是，该钙钛矿材料导电性很差，这不利于用传统的测试设备进行电学信号获取(J.Phys.Chem.B,2004,108,11214)。Neri等人采用溶胶-凝胶法制备了铂-氧化铟(Pt-In₂O₃)室温氧传感器，该传感器对20％O₂的响应值为95但其响应/恢复时间长达18/35分钟，较长的响应恢复时间限制了传感器在快速报警、长时间连续检测等方面的应用。